枝晶消除剂——”新型电解质“带着电池一起飞

　　太平洋西北国家实验室的物理学家Jason Zhang和他的同事们开发出一种新型电解质，使锂硫，锂金属和锂空电池的效率工作达到99%，同时具有高电流密度，且不会生长使充电电池短路的锂枝晶。

　　图片展示的是两幅扫描电子显微镜图像：a、说明传统的电解质如何造成枝晶生长；b、PNNL研发的新型电解质，生成了一些光滑的锂结块，不会引起电池的短路。

　　枝晶（一种微观的针状纤维，能够使充电电池发生短路）会产生火灾隐患，并且限制了电池驱动智能手机和储存可再生能源以备不时之需的能力。

　　最近Nature Communications上公布了一项研究成果，报道称发现了一种新型的锂电池电解质，它能够消除枝晶，提高电池的工作效率和工作电流。

　　“我们发现的新型电解质能够使锂电池达到99%的工作效率，同时，与之前的技术相比较，工作电流增大超过10倍。”物理学家Ji-Guang "Jason" Zhang（the Department of Energy's Pacific Northwest National Laboratory）说，“这个新的发现为强大而实用的下一代可再充电电池，如锂-硫，锂-空和锂金属电池的开发开启了一扇门。”

　　我们如今使用的大部分电池都是锂离子电池，它有两个电极：一个是正极，含有锂元素。另一个是负极，比较典型的是石墨。当电子流过连接两电极的导线，电流就产生了。为了控制住电子，带正电荷的锂离子从一个电极穿过电解质到达另一个电极（两个电极都浸泡在电解质中）。但是石墨储存能量的能力较低，锂离子电池无法将大量的能量提供给智能手机和电动汽车。

　　20世纪70年代，锂基可充电电池得到首次开发，研究者用锂作为负极，也就是通常所说的阳极。之所以选择锂，是因为它的储能能力是石墨的10倍，但是搬运锂的电解质容易和锂阳极发生反应，反应导致锂枝晶的生长，使电池遭到破坏。

　　多年来，许多研究者为解决充电电池锂枝晶的问题而苦恼，在20世纪90年代初，研究人员转为用其他材料作为阳极，例如石墨。最近几年，科学家为阳极涂覆一层保护膜，或者开发了电解质添加剂。一些解决方案可以消除枝晶，但是却导致电池只能有较低的能量，其他的办法只能减缓纤维的成长，却不能让其停止。

　　如今用石墨作为阳极的可充电锂离子电池储能能力已经达到顶峰，PNNL正在重新审视这个较为老旧的设计。Zhang和他的团队正在努力开发一种新型电解质，使它可以和具有较高储能能力的锂阳极很好的工作。

　　研究人员建立了一个电池的循环检测系统，所用电池的大小约为普通电池的四分之一。结果显示，电池阳极没有长枝晶，而是长了一层轻薄的，上面有一些锂结块但是相对光滑的膜层，并且不会将电池短路。

　　进行1000次4mA/cm2电流的充放电循环之后，电池保持初试能量的98.4%。他们发现较大的电流密度只会轻微的降低电池工作效率。例如，进行10mA/cm2的电流密度下测试，测试电池仍然保持超过97%的工作效率。而用0.2mA/cm2的电流测试，工作效率可以达到99.1%。大多数用锂做阳极的电池，在1mA/cm2或者更小的电流密度下，循环小于300次，电池就失效了。

　　无阳极电池？

　　Zhang说：“新型电解质超高的工作效率为无阳极电池开启了一扇门。”如今的电池负电极实际上是由铜等薄金属片和涂覆在上面的石墨或锂等活性材料组成，薄金属基底叫做集流体，因为他们能保持电子的流通，为手机提供能量。活性材料被涂覆到电极上，是因为大多数电解质的效率低，并且在电池工作时消耗锂离子。但是拥有99%工作效率的电解质意味着我们可以开发一种电池，只有负极集流体（也就是阳极这一侧），没有涂覆的活性材料。

　　“没有阳极可以降低可充电电池的成本和尺寸，并且极大地提高电池的安全性。”zhang说。

　　电解质在广泛应用之前需要进行优化，zhang和他的团队正在评估各种添加剂，使得锂电池在使用时，可以实现商业所需求的超过99.9%的工作效率。