加州大學(xué)圣迭戈分校的納米工程師們發(fā)現(xiàn)了在超低溫下性能良好的鋰金屬電池的新原理——電解質(zhì)對鋰離子的吸附越弱越好。通過使用這種弱結(jié)合電解質(zhì)，研究人員開發(fā)出了一種可在零下60攝氏度反復(fù)充電的鋰金屬電池，這在該領(lǐng)域尚屬首次。

詳細研究成果發(fā)表于《自然·能源》(NatureEnergy)。

在測試中，概念驗證電池在-40和-60攝氏度的50次循環(huán)中分別保留了84%和76%的容量。研究人員指出，這樣的表現(xiàn)是前所未有的。

其他用于低溫下使用的鋰離子電池可以在低溫下放電，但充電時要加熱。這意味著必須帶上額外的加熱器，以便在外太空和深海探索等應(yīng)用中使用這些電池。而此次的新電池可在超低溫下充放電。

在超低溫下提高鋰金屬電池性能，目前為止許多努力都集中在選擇不會那么容易凍結(jié)的電解質(zhì)，并能保持鋰離子在電極之間快速移動。在這項研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)，關(guān)鍵不在于電解質(zhì)移動離子的速度有多快，而在于電解質(zhì)釋放離子并將其沉積在陽極上的容易程度。

研究人員通過比較兩種電解質(zhì)的電池性能得出了這些發(fā)現(xiàn)：一種是與鋰離子結(jié)合較弱的電解質(zhì)，另一種是與鋰離子結(jié)合較強的電解質(zhì)。具有弱結(jié)合電解質(zhì)的鋰金屬電池在-60攝氏度下整體性能更好；在50次循環(huán)后，它仍然運行強勁。相比之下，具有強結(jié)合電解質(zhì)的電池在兩個周期后就停止工作了。

在電池循環(huán)后，研究人員將它們分開，比較陽極上的鋰金屬沉積，發(fā)現(xiàn)存在明顯差異：電解質(zhì)結(jié)合較弱的電池沉積光滑均勻，而電解質(zhì)結(jié)合較強的電池沉積呈塊狀針狀。

這些發(fā)現(xiàn)使該團隊能夠設(shè)計出一種與電解質(zhì)和陽極兼容的陰極，以實現(xiàn)低溫性能。它是一種硫基陰極，由低成本、豐富且對環(huán)境無害的材料制成，不使用昂貴的過渡金屬。

研究人員表示，“這項研究的意義是雙重的。從科學(xué)的角度來說，它提出了與傳統(tǒng)觀點相反的見解。從技術(shù)上講，這是第一款可充電的鋰金屬電池，它可以在-60攝氏度完全運行的情況下供應(yīng)有用的能量密度。這兩個方面為超低溫電池供應(yīng)了一個完整的解決方法。”