新型電解液突破無(wú)負極鋰電池壽命瓶頸

記者19日從西湖大學(xué)獲悉，該校工學(xué)院特聘研究員王建輝團隊研制的穿梭耦合電解液，成功實(shí)現鋰金屬高度同步的平面沉積與溶解，突破了無(wú)負極鋰電池循環(huán)壽命短的核心瓶頸。

“無(wú)負極鋰電池，不是指電池沒(méi)有負極，而是特指制造電池時(shí)舍棄任何負極活性材料，僅保留一塊銅箔作為負極的集流體。”王建輝介紹，無(wú)負極鋰電池具有高能量密度、低成本、易組裝的優(yōu)勢，但循環(huán)壽命極短的缺陷使其長(cháng)期停留在實(shí)驗室研究階段。

此外，無(wú)負極鋰電池在充電時(shí)，鋰離子容易在負極表面不均勻地沉積，像長(cháng)樹(shù)枝一樣堆出雜亂無(wú)章的“枝晶”。“枝晶”可能刺穿正負極之間的隔膜，引發(fā)電池短路起火;其會(huì )與電解液發(fā)生副反應，消耗本就有限的鋰;“枝晶”從根部斷裂，會(huì )變成無(wú)法再參與充放電的“死鋰”。

針對這些難題，王建輝團隊展開(kāi)了持續研究。2020年，該研究第一作者、團隊成員劉磊發(fā)現一類(lèi)含酰胺基團的溶劑表現突出。用它配成的電解液在紐扣電池中測試時(shí)，鋰沉積/溶解效率顯著(zhù)高于對照組，還能支持高電壓鋰電池穩定循環(huán)。

以此為突破點(diǎn)，研究團隊經(jīng)反復優(yōu)化研制出穿梭耦合電解液，并在更貼近實(shí)際應用的軟包電池中完成驗證。這種電解液能讓鋰離子在銅箔表面實(shí)現高度可逆的平面沉積與溶解，從根源上避免“枝晶”產(chǎn)生，大幅減少副反應和“死鋰”形成。

實(shí)驗數據顯示，這款無(wú)負極鋰電池在無(wú)集流體修飾、無(wú)外源補鋰的條件下，能量密度是當前商用電池的近兩倍。此外，在80%放電深度下，這款電池穩定充放電循環(huán)突破350次，可在2650瓦時(shí)每千克超高功率下持續放電超130秒，且單位瓦時(shí)成本較商用石墨基鋰離子電池降低15%—25%。

王建輝表示，這項研究為研發(fā)高性能金屬電極開(kāi)辟了新路徑，為未來(lái)大規模量產(chǎn)極高能量密度電池提供了理論支持。