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【無(wú)負(fù)極鋰電池新突破！

能量密度是鋰電池2倍，

成本低25%】

當(dāng)飛行汽車(chē)、電動(dòng)飛機(jī)等未來(lái)交通工具的構(gòu)想屢屢點(diǎn)燃公眾想象，一個(gè)關(guān)鍵制約因素始終橫亙?cè)诂F(xiàn)實(shí)與理想之間，那就是電池的能量密度。

而一度被視為鋰電池“圣杯”的無(wú)負(fù)極鋰金屬電池，雖兼具高能量密度、低成本、易組裝等誘人優(yōu)勢(shì)，卻因循環(huán)壽命極短的致命缺陷，數(shù)十年來(lái)始終停留在實(shí)驗(yàn)室原型階段。

如今，這一困局有望被中國(guó)科學(xué)家打破。

3月18日，西湖大學(xué)工學(xué)院王建輝團(tuán)隊(duì)在《自然》雜志在線發(fā)表題為“Planar Li Deposition and Dissolution Enable Practical Anode-Free Pouch Cells”的論文，宣布通過(guò)創(chuàng)新研制的“穿梭耦合電解液”（BAFF電解液），成功實(shí)現(xiàn)了鋰金屬高度同步的平面沉積與溶解，徹底突破了無(wú)負(fù)極鋰金屬電池循環(huán)壽命短這一關(guān)鍵瓶頸。

在沒(méi)有任何集流體修飾和外源補(bǔ)鋰的條件下，這款無(wú)負(fù)極鋰金屬軟包電池的能量密度達(dá)到驚人的508Wh/kg和1668Wh/L，而當(dāng)前傳統(tǒng)商用電池能量密度不足280瓦時(shí)每千克。

此外，該電池在80%放電深度下穩(wěn)定充放電循環(huán)突破350次，支持2650W/kg超高功率下持續(xù)放電超過(guò)130秒，工作溫域?qū)掃_(dá)-40℃至60℃，同時(shí)單位瓦時(shí)成本相比商用石墨基鋰離子電池還可降低15%至25%。

圖說(shuō)：王建輝團(tuán)隊(duì)研制的508 Wh/kg無(wú)負(fù)極鋰金屬軟包電池樣品

來(lái)源：西湖大學(xué)

無(wú)負(fù)極鋰金屬電池之所以被稱(chēng)為鋰電池界的“圣杯”，在于其設(shè)計(jì)理念的極致簡(jiǎn)約——制造時(shí)舍棄任何負(fù)極活性材料，僅保留一塊銅箔作為負(fù)極集流體。

這種設(shè)計(jì)極大減輕了電池的質(zhì)量和體積，沒(méi)有了預(yù)裝的昂貴且活潑的鋰金屬，成本更低也更安全，同時(shí)拆掉了厚重的石墨電極，能量密度得以大幅提升。

然而，這一“圣杯”數(shù)十年來(lái)始終難以實(shí)用化，根源在于其循環(huán)壽命極短。

首次充電時(shí)，鋰離子要在銅箔上“從零開(kāi)始”沉積生長(zhǎng)，如果銅箔表面只有少數(shù)幾個(gè)點(diǎn)能成核，鋰離子就會(huì)往那幾個(gè)點(diǎn)聚集，堆出幾根大“枝晶”。

與常規(guī)鋰金屬電池不同，無(wú)負(fù)極電池的鋰全部來(lái)自正極，總量固定，沒(méi)有額外的鋰源補(bǔ)充。一旦形成枝晶，便會(huì)陷入惡性循環(huán)：枝晶與電解液發(fā)生副反應(yīng)，消耗本就有限的鋰；枝晶從根部斷裂，變成無(wú)法再參與充放電的“死鋰”。

針對(duì)這些難題，王建輝團(tuán)隊(duì)展開(kāi)了持續(xù)研究。

2020年，該研究第一作者、團(tuán)隊(duì)成員劉磊發(fā)現(xiàn)一類(lèi)含酰胺基團(tuán)的溶劑表現(xiàn)突出。用它配成的電解液在紐扣電池中測(cè)試時(shí)，鋰金屬的沉積/溶解效率顯著高于對(duì)照組，還能支持高電壓鋰金屬電池穩(wěn)定循環(huán)。

以此為突破點(diǎn)，研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)反復(fù)優(yōu)化最終研制出穿梭耦合電解液。

這種電解液能在負(fù)極表面形成一層約8納米厚、亞納米級(jí)均勻的固態(tài)電解質(zhì)界面膜，既能讓鋰離子均勻進(jìn)出，又能適應(yīng)鋰金屬的膨脹收縮變化而不破裂，從而實(shí)現(xiàn)平面沉積溶解，，從根源上避免“枝晶”產(chǎn)生，大幅減少副反應(yīng)和“死鋰”形成。

團(tuán)隊(duì)通過(guò)質(zhì)譜滴定分析證實(shí)，在電池長(zhǎng)循環(huán)后的容量損失中，“死鋰”僅占3.5%，遠(yuǎn)低于其它先進(jìn)電解液，平均每圈“死鋰”增長(zhǎng)率低至0.001mAh/cm2，有力印證了平面沉積/溶解機(jī)制的有效性。

這一成果不僅為研發(fā)超越“嵌入化學(xué)”機(jī)制的高性能金屬電極開(kāi)辟了新路徑，更意味著向極高能量密度電池的大規(guī)模量產(chǎn)邁出了堅(jiān)實(shí)一步。

（來(lái)源：西湖大學(xué)、科技日?qǐng)?bào)；整理：Bell）

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