研究发现稳定锂电池中电极和电解质的新机制能大大增强其能量密度

一个研究小组发现了一种稳定锂金属电池中锂金属电极和电解质的新机制。这种新机制不依赖于传统的动力学方法。它有可能大幅提高电池的能量密度--相对于重量或体积的能量储存量。

该团队于当地时间10月27日在《Nature Energy》上发表了他们的发现。

锂金属电池是一种有前途的技术，有可能满足对高能量密度存储系统的需求。然而由于这些电池中的电解质不停地分解，它们的库仑效率很低。库仑效率也称为电流效率，描述了电子在电池中传输的效率。因此，库仑效率高的电池有更长的电池循环寿命。

“这是第一篇提出电极电位和相关结构特征作为设计锂金属电池电解质的指标的论文，这些指标是通过引入数据科学与计算相结合而提取的，”东京大学化学系统工程系教授Atsuo Yamada说道，“基于我们的发现，能够实现高库仑效率的几种电解质已经被轻松开发出来。”该团队的工作有可能为锂金属电池的下一代电解质的设计提供新的机会。

在锂离子电池中，锂离子在充电时通过电解质从正极移动到负极，放电时又返回。通过引入高能量密度的电极，电池的能量密度可以得到改善。在这种情况下，在过去的几十年里进行了许多研究，将石墨负极改为金属锂。然而金属锂有很高的反应性，它会减少其表面的电解质。正因为如此，锂金属电极显示出较差的库伦效率。

为了克服这个问题，科学家们已经开发了功能性电解质和电解质添加剂，进而形成了一个表面保护膜。这种固体电解质间相对锂电池的安全和效率有影响。表面保护膜阻止了电解液和金属锂电极之间的直接接触，从而在动力学上减缓了电解液的还原。然而直到现在，科学家们还没有完全理解固体电解质间相与库仑效率之间的相关性。

科学家们知道，如果他们改善固体电解质间相的稳定性，那么他们可以减缓电解质的分解，电池的库仑效率就会提高。但即使有先进的技术，科学家们发现很难直接分析固体电解质间相的化学性质。大多数关于固体电解质间相的研究都是用间接方法进行的。这些研究提供了间接证据，因此很难开发出导致高库仑效率的电解质稳定的锂金属。

研究小组确定，如果他们能在特定的电解质系统中提升锂金属的氧化-还原电位，他们就能减少还原电解质的热力学驱动力从而获得更高的库仑效率。这种策略在开发金属锂的电池中很少被应用。Atsuo Yamada说道：“金属锂的热力学氧化-还原电位因电解质的不同而有很大的差异，它是一个简单但被忽视的因素，影响着金属锂电池的性能。”

该团队研究了金属锂在74种电解质中的氧化-还原电位。研究人员在所有的电解质中引入了一种叫做二茂铁的化合物以作为IUPAC（国际纯粹与应用化学联盟）推荐的电极电位的内部标准。研究小组证明，金属锂的氧化-还原电位跟库仑效率之间存在着关联。他们在金属锂的氧化还原电位上移的情况下获得了高库仑效率。

展望未来的工作，研究小组的目标是更详细地揭开氧化-还原电位转移背后的合理机制。“我们将设计保证库伦效率大于99.95%的电解质。即使使用先进的电解质，金属锂的库仑效率也低于99%。然而至少99.95%是金属锂基电池商业化的要求，”Atsuo Yamada说道。