無負極鋰電池新突破！能量密度是鋰電池2倍，成本低25%

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【無負極鋰電池新突破！

能量密度是鋰電池2倍，

成本低25%】

當飛行汽車、電動飛機等未來交通工具的構(gòu)想屢屢點燃公眾想象，一個關(guān)鍵制約因素始終橫亙在現(xiàn)實與理想之間，那就是電池的能量密度。

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

如今，這一困局有望被中國科學(xué)家打破。

3月18日，西湖大學(xué)工學(xué)院王建輝團隊在《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，宣布通過創(chuàng)新研制的“穿梭耦合電解液”（BAFF電解液），成功實現(xiàn)了鋰金屬高度同步的平面沉積與溶解，徹底突破了無負極鋰金屬電池循環(huán)壽命短這一關(guān)鍵瓶頸。

在沒有任何集流體修飾和外源補鋰的條件下，這款無負極鋰金屬軟包電池的能量密度達到驚人的508Wh/kg和1668Wh/L，而當前傳統(tǒng)商用電池能量密度不足280瓦時每千克。

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130秒，工作溫域?qū)掃_-40℃至60℃，同時單位瓦時成本相比商用石墨基鋰離子電池還可降低15%至25%。

圖說：王建輝團隊研制的508 Wh/kg無負極鋰金屬軟包電池樣品

來源：西湖大學(xué)

無負極鋰金屬電池之所以被稱為鋰電池界的“圣杯”，在于其設(shè)計理念的極致簡約——制造時舍棄任何負極活性材料，僅保留一塊銅箔作為負極集流體。

這種設(shè)計極大減輕了電池的質(zhì)量和體積，沒有了預(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)十年來始終難以實用化，根源在于其循環(huán)壽命極短。

首次充電時，鋰離子要在銅箔上“從零開始”沉積生長，如果銅箔表面只有少數(shù)幾個點能成核，鋰離子就會往那幾個點聚集，堆出幾根大“枝晶”。

與常規(guī)鋰金屬電池不同，無負極電池的鋰全部來自正極，總量固定，沒有額外的鋰源補充。一旦形成枝晶，便會陷入惡性循環(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，變成無法再參與充放電的“死鋰”。

針對這些難題，王建輝團隊展開了持續(xù)研究。

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

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

這種電解液能在負極表面形成一層約8納米厚、亞納米級均勻的固態(tài)電解質(zhì)界面膜，既能讓鋰離子均勻進出，又能適應(yīng)鋰金屬的膨脹收縮變化而不破裂，從而實現(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。

團隊通過質(zhì)譜滴定分析證實，在電池長循環(huán)后的容量損失中，“死鋰”僅占3.5%，遠低于其它先進電解液，平均每圈“死鋰”增長率低至0.001mAh/cm2，有力印證了平面沉積/溶解機制的有效性。

這一成果不僅為研發(fā)超越“嵌入化學(xué)”機制的高性能金屬電極開辟了新路徑，更意味著向極高能量密度電池的大規(guī)模量產(chǎn)邁出了堅實一步。

（來源：西湖大學(xué)、科技日報；整理：Bell）

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