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2021-07-02
据外媒报道，下一代电池的一个特别有前途的架构是使用纯锂金属，这种材料具有出色的能量密度，可以使电动汽车在每次充电时行驶更远。美国的一个研究小组已经在这项技术上迈出了重要的一步，提出了一种长效锂金属电池的设计，该电池在破纪录的充电周期内仍能保持功能。这些类型的电池背后的想法是将阳极组件中使用的石墨换成纯锂金属，它可以容纳多达10倍的能量。锂金属被一些研究人员描述为一种梦幻般的材料，被认为是帮助我们突破能源储存的关键瓶颈的关键，但科学家们一直在努力解决寿命问题，到目前为止开发的版本在使用过程中很快就会失效。
这种失败的原因之一是发生在阳极周围的复杂反应，影响到阳极上面的一层薄膜，称为固体电解质界面相(SEI)。这层薄膜控制着从电解质溶液中进入阳极的分子，电子通过这层薄膜来回穿梭于电池的另一个电极，即阴极。
这样一来，这种把关的作用使SEI承担了防止电池循环时发生不必要的化学反应的责任，而这正是美国能源部西北太平洋国家实验室（PNNL）的科学家在一项新研究中所针对的机制。人们通常认为，增加阳极中的锂的数量是解决这一问题的方法之一，但该团队通过另一种方法发现了成功。
“许多人都认为，更厚的锂会使电池的寿命更长，”该论文的通讯作者肖杰说。“但这并不总是真的。每个锂金属电池都有一个优化的厚度，取决于其电池能量和设计。”
科学家们使用非常薄的锂条作为他们的阳极的基础，每条的宽度只有20微米，远比人的头发薄。这种阳极被加工成能量密度为350Wh/kg的袋式电池。今天使用的同类最好的锂离子电池的密度为250至300Wh/kg，因此虽然350Wh/kg在研究界并非闻所未闻，但它将是对目前可用技术的明显改进。
在测试中，该团队发现，在创纪录的600次循环后，该电池保持了76%的容量。同样的研究人员在四年前展示了一个可以跨越50次循环的实验性锂电池，然后在两年前展示了一个能够跨越200次循环的锂电池。目前这个创纪录的版本是向前迈出的另一个关键步骤，根据该团队的说法，其持续时间远远超过类似研究项目中正在开发的任何其他产品。
该团队将该设计的成功归功于较薄的条带促进了更好的SEI，因此与扼杀重要电化学反应的较厚条带相比，电解质和阳极之间有更好的相互作用。在解决了与锂金属电池有关的一个关键问题之后，作者希望通过一个被称为Battery500的多机构联盟继续改进该技术，该联盟正在努力实现500Wh/kg的能量密度。
"Battery500联盟在提高能量密度和延长循环寿命方面取得了巨大进展，"2019年诺贝尔化学奖得主、该论文的共同作者斯坦利·惠廷厄姆（Stanley Whittingham）说。“但还有很多事情需要做。特别是，锂金属电池存在的安全问题必须得到解决。这也是Battery500团队正在努力解决的问题。”
该研究发表在《自然-能源》杂志上。
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