液化气电解质：-60℃情况下锂电池依然可以正常工作

作者：niversityofCalifornia-SanDiego

对2017年首次推出的一类电池电解质的改进——液化气电解质——可能为可充电电池的高冲击和长期寻求的进步铺平道路：用锂金属阳极代替石墨阳极。

这项研究于2019年7月1日发表在《焦耳》杂志上，其基础是加州大学圣地亚哥分校和南8科技大学的同一研究小组于2017年在《科学》上首次报道的创新。

在商用锂离子电池中寻找经济有效的替代石墨阳极的方法是非常有意义的，因为它可以通过在电池水平上增加50%的能量密度，使电池变得更轻，能够储存更多的电荷。增加的能量密度将来自多种因素的组合，包括锂金属阳极的高比容量、低电化学电位和轻量（低密度）。

因此，切换到锂金属阳极将大大扩大电动汽车的范围，降低用于电网存储的电池的成本，加州大学圣地亚哥分校纳米工程教授ShirleyMeng解释说，他是《焦耳》该论文的作者。

然而，要实现这一转变还面临着技术挑战。主要的障碍是锂金属阳极与传统电解质不兼容。当这些阳极与传统电解质配对时，会出现两个长期存在的问题：低循环效率和枝晶生长。

所以Meng和他的同事们的方法是改用一种更相容的电解质，叫做液化气电解质。

液化气电解质

这些液化气电解质的一个诱人的方面是，它们在室温和极低温度下都能发挥作用，即使温度降到零下60摄氏度。这些电解质是由液化气溶剂制成的，这些溶剂是在中等压力下液化的气体，比标准液体电解质更耐冷冻。

在《焦耳》2019年的论文中，研究人员报告了如何通过实验和计算研究，提高他们对液化气电解质化学的一些缺点的理解。有了这些知识，他们能够定制液化气电解质，以提高锂金属阳极在室温和零下60℃下的关键指标性能。

在锂金属半电池测试中，研究小组报告表明，在室温下500次充电循环中，阳极的循环效率（库仑效率）为99.6%。高于2017年科学论文中报告的97.5%的循环效率，以及传统（液体）电解质锂金属阳极的85%的循环效率。

在零下60摄氏度时，研究小组证明锂金属阳极的循环效率为98.4%。相比之下，大多数传统电解质在零下20摄氏度以下便不能工作。

加州大学圣地亚哥分校团队的模拟和表征工具，许多都是由ShirleyMeng领导的储能和转换实验室开发的，这让研究人员能够解释为什么锂金属阳极在液化气电解质中表现更好。至少部分原因与锂粒子如何沉积在金属阳极表面有关。

研究人员报告了使用液化气电解质时，锂颗粒在锂金属阳极上平滑而致密的沉积。相反，当使用常规电解质时，锂金属阳极上会形成针状枝晶。这些树枝状物会降低效率，造成短路，并导致严重的安全威胁。

测量锂粒子在阳极表面沉积的密度的一个方法是多孔性，孔隙度越低越好。研究小组在报告说，在室温下使用液化气电解质在金属阳极上沉积的锂粒子的孔隙率为0.90%。在常规电解质存在下，多孔性上升到16.8%。

正确电解质的竞赛

目前，在寻找或改进与锂金属阳极相容的电解质方面有很大的进展，并且在成本、安全性和温度范围方面具有竞争力。研究小组主要研究高浓度溶剂（液体）或固态电解质，但目前还没有银弹。

“作为电池研究团体的一部分，我相信我们将开发锂金属阳极所需的电解质。我希望这项研究能激励更多的研究小组认真研究液化气电解质。