能量密度1270Wh/L的無(wú)陽(yáng)極電池破紀(jì)錄，電動(dòng)車(chē)?yán)m(xù)航里程有望"翻倍"

韓國(guó)科研團(tuán)隊(duì)近期報(bào)告了一項(xiàng)重大進(jìn)展，該突破有望大幅提升電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)航里程并緩解低溫性能焦慮。這項(xiàng)研究詳細(xì)闡述了一種無(wú)陽(yáng)極鋰金屬電池，可在不增加電池體積的情況下，將能量密度提升近一倍。

這一突破由浦項(xiàng)科技大學(xué)、韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院和慶尚大學(xué)的科學(xué)家共同實(shí)現(xiàn)，可能會(huì)重塑未來(lái)電動(dòng)汽車(chē)電池的設(shè)計(jì)方式。

相同空間，能量密度創(chuàng)紀(jì)錄

由浦項(xiàng)科技大學(xué)Soojin Park教授和Dong-Yeob Han博士領(lǐng)導(dǎo)的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)，實(shí)現(xiàn)了1270 Wh/L的體積能量密度。這一數(shù)值幾乎是當(dāng)前電動(dòng)汽車(chē)所用鋰離子電池（約650 Wh/L）的兩倍。

體積能量密度至關(guān)重要，因?yàn)樗鼪Q定了在固定電池體積內(nèi)能存儲(chǔ)多少能量，這是車(chē)輛設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵限制因素。

研究人員通過(guò)采用無(wú)陽(yáng)極鋰金屬電池架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了這一里程碑。在這種設(shè)計(jì)中，傳統(tǒng)的石墨陽(yáng)極被完全移除。取而代之的是，存儲(chǔ)在陰極的鋰離子在充電時(shí)遷移，并直接沉積在銅集流體上。

取消陽(yáng)極釋放了內(nèi)部空間，使得更多活性材料能夠被裝入相同體積。這一概念類(lèi)似于在不增大油箱尺寸的情況下裝入更多燃料。

為何無(wú)陽(yáng)極電池難以制造

盡管前景廣闊，無(wú)陽(yáng)極鋰金屬電池長(zhǎng)期以來(lái)一直面臨重大的技術(shù)障礙。最大的問(wèn)題之一是充電過(guò)程中鋰的不均勻沉積。當(dāng)鋰不規(guī)則地沉積時(shí)，會(huì)形成枝晶——尖銳的針狀結(jié)構(gòu)，可能刺穿內(nèi)部隔膜并引發(fā)短路。

電池退化是另一個(gè)問(wèn)題。反復(fù)的充放電會(huì)損害鋰表面，降低效率并迅速縮短電池壽命。這些問(wèn)題使得在實(shí)際系統(tǒng)中很難將高能量密度、長(zhǎng)循環(huán)壽命和安全性結(jié)合起來(lái)。

穩(wěn)定與控制的組合方案

為了克服這些限制，該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種組合方案，使用可逆主體和定制電解質(zhì)。可逆主體是一種嵌入了均勻分布銀納米顆粒的聚合物框架。這些顆粒引導(dǎo)鋰沉積在特定位置，促進(jìn)均勻生長(zhǎng)而非隨機(jī)堆積。該結(jié)構(gòu)有效地為充電過(guò)程中的鋰沉積提供了預(yù)設(shè)位置。

定制電解質(zhì)增加了另一層保護(hù)。它在鋰金屬表面形成了由Li?O和Li?N組成的穩(wěn)定界面層。該層抑制了枝晶的形成，同時(shí)仍允許鋰離子高效移動(dòng)。二者共同作用，穩(wěn)定了鋰沉積過(guò)程，并在電池反復(fù)運(yùn)行中提供保護(hù)。

性能結(jié)果與行業(yè)關(guān)聯(lián)

在可逆主體和定制電解質(zhì)的協(xié)同作用下，電池在苛刻條件下表現(xiàn)出強(qiáng)勁性能。在4.6 mAh cm?2的高面積容量和2.3 mA cm?2的電流密度下，該電池在100次循環(huán)后仍保持其初始容量的81.9%。其平均庫(kù)倫效率也達(dá)到了99.6%。這些結(jié)果共同促成了1270 Wh/L的創(chuàng)紀(jì)錄體積能量密度。

關(guān)鍵的是，該團(tuán)隊(duì)在更接近電動(dòng)汽車(chē)所用電池的軟包電池中驗(yàn)證了該系統(tǒng)。即使電解質(zhì)含量非常低且堆疊壓力很小，也能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行。這預(yù)示著電池將更輕、制造更簡(jiǎn)單且商業(yè)可行性更高。

Park教授指出："這項(xiàng)工作同時(shí)解決了無(wú)陽(yáng)極鋰金屬電池的效率和使用壽命問(wèn)題，代表了一個(gè)有意義的突破。"

該研究的另一位研究者補(bǔ)充道："我們的研究表明，基于商用溶劑的電解質(zhì)設(shè)計(jì)可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)高鋰離子遷移率和界面穩(wěn)定性。"

這項(xiàng)研究已發(fā)表在《先進(jìn)材料》期刊上。

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