新型电解质设计可扩大锂金属电池续航里程同时最大限度地降低氟含量

锂金属电池的新电解质设计可显著提高电动汽车的续航里程。苏黎世联邦理工学院的研究人员大幅减少了稳定这些电池所需的对环境有害的氟的用量。

锂金属电池是下一代高能电池最有希望的候选材料之一。它们每单位体积存储的能量至少是目前广泛使用的锂离子电池的两倍。这意味着，例如，电动汽车一次充电可以行驶两倍的距离，或者智能手机不需要经常充电。

目前，锂金属电池仍存在一个关键的缺点：液体电解质需要添加大量的氟化溶剂和氟化盐，这会增加其对环境的影响。

然而，如果不添加氟，锂金属电池就会不稳定，在很少的充电周期后就会停止工作，并且容易发生短路以及过热和起火。

苏黎世联邦理工学院电化学能源系统教授玛丽亚·卢卡茨卡娅(Maria Lukatskaya)领导的研究小组现已开发出一种新方法，可大幅减少锂金属电池所需的氟量，从而使其更加环保、稳定且具有成本效益。

该成果发表在《能源与环境科学》杂志上。该成果已申请专利。

稳定的保护层提高电池的安全性和效率

电解质中的氟化合物有助于在电池负极的金属锂周围形成一层保护层。

“这层保护层可以比作牙齿的珐琅质，”卢卡茨卡娅解释道。“它可以保护金属锂不与电解质成分发生持续反应。”

如果没有它，电解质在循环过程中会很快耗尽，电池就会失效，而且由于缺乏稳定的层，在充电过程中会形成锂金属晶须(“树枝状”)，而不是共形的平坦层。

如果这些枝晶接触正极，就会造成短路，并有电池过热而起火的风险。因此，控制该保护层特性的能力对于电池性能至关重要。稳定的保护层可提高电池效率、安全性和使用寿命。

尽量减少氟含量

“问题在于如何在不损害保护层稳定性的情况下减少氟的添加量，”博士生 Nathan Hong 说道。该团队的新方法利用静电吸引力来实现所需的反应。在这里，带电的氟化分子充当将氟输送到保护层的载体。

这意味着液体电解质中只需要 0.1% 重量的氟，比之前的研究至少低 20 倍。

优化方法使电池更环保

最大的挑战之一是找到合适的分子，氟可以附着在上面，而且一旦到达锂金属，该分子也会在适当的条件下再次分解。

该团队解释称，这种方法的一个关键优势是它可以无缝集成到现有的电池生产过程中，而无需产生改变生产设置的额外成本。

实验室中使用的电池只有硬币大小。下一步，研究人员计划测试该方法的可扩展性，并将其应用于智能手机中使用的软包电池。