科学家发现新型材料组合 使锂电池能量密度创新高

目前，锂离子电池是最常见的移动电源解决方案。然而，在某些应用中，锂电池也达到了它的极限，特别对电动汽车而言。在电动汽车领域，轻量化和紧凑型汽车的续航里程非常长，锂金属电池也是一种选择。它们的特点是能量密度高，这意味着它们每一质量或每一体积能储存很多能量。然而，其稳定性仍然是它的一个问题，因为锂电池的电极材料会与传统的电解质系统发生反应。

为了解决锂电池的稳定性问题，日前卡尔斯鲁厄理工学院(KIT)和乌尔姆亥姆霍兹电化学储能研究所(HIU)的研究人员报告了一种新型锂金属电池，其稳定性显著提高。与此同时基于活性材料的总重量，这种新型锂电池能达到极高的能量密度——每公斤560瓦特时。

针对这一改良，研究人员使用了一种很有前景的材料组合：阴极和电解液。富镍阴极能够在单位质量中存储高能量，而离子液体电解质可在多次循环中很大程度上确保稳定的容量。贫钴富镍层状的阴极(NCM88)能达到很高的能量密度。然而，在通常应用的商用有机电解质(LP30)中，它的稳定性仍有待提高。因为存储容量随使用次数的增加而减小。

HIU主任和电池组电化学负责人Stefano Passerini教授解释了原因:“在电解液LP30中，粒子在阴极上破裂。在这些裂缝中，电解液发生反应，从而破坏了结构。此外，阳极上还会形成一层厚厚的苔藓状锂层。”因此，科学家们使用了一种不易挥发、难燃的双阴离子离子液体电解质(ILE)来代替它。HIU电池电化学组的Guk-Tae Kim博士说:“在ILE的帮助下，富镍阴极上的结构修饰可以显著减少。”

这种新型锂电池的容量在使用1000次后仍能达到原先的88%。

基于活性材料的总重量，使用NCM88负极和ILE电解质的锂金属电池的能量密度达到了560瓦时/千克(Wh/kg)。其初始存储容量为214毫安小时每克(mAh g-1)的阴极材料，经过1000次循环后，仍保留88%的容量。平均库仑效率，即放电与充电容量之比，为99.94%。

该电池不仅具有高能量密度、寿命长的优点，且安全性能良好，因此这一研究对于实现出行方式的碳中和具有重要意义。

该研究论文题为“Dual-anion ionic liquid electrolyte enables stable Ni-rich cathodes in lithium-metal batteries”，于2021年7月15日发表在《焦耳》期刊上。

前瞻经济学人APP资讯组

来源：Karlsruher Institut für Technologie (KIT).