3月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(tuán)隊(duì)研制的穿梭耦合電解液，成功實(shí)現(xiàn)鋰金屬高度同步的平面沉積與溶解，突破了無(wú)負(fù)極鋰金屬電池循環(huán)壽命短的核心瓶頸。

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

西湖大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)研制的508瓦時(shí)每千克(Wh/kg)無(wú)負(fù)極鋰金屬軟包電池樣品。西湖大學(xué)供圖。

西湖大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)研制的508瓦時(shí)每千克(Wh/kg)無(wú)負(fù)極鋰金屬軟包電池樣品。西湖大學(xué)供圖。此外，無(wú)負(fù)極鋰金屬電池在充電時(shí)，鋰離子容易在負(fù)極表面不均勻地沉積，像長(zhǎng)樹(shù)枝一樣，堆出雜亂無(wú)章的“枝晶”。“枝晶”可能刺穿正負(fù)極之間的隔膜，引發(fā)電池短路起火;其與電解液發(fā)生副反應(yīng)，會(huì)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(duì)這些難題，王建輝團(tuán)隊(duì)展開(kāi)了持續(xù)研究。2020年，該研究第一作者、團(tuán)隊(duì)成員劉磊發(fā)現(xiàn)一類含酰胺基團(tuán)的溶劑表現(xiàn)突出。用它配成的電解液在紐扣電池中測(cè)試時(shí)，鋰金屬的沉積/溶解效率顯著高于對(duì)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(diǎn)，研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)反復(fù)優(yōu)化研制出穿梭耦合電解液，并在更貼近實(shí)際應(yīng)用的軟包電池中完成驗(yàn)證。這種電解液能讓鋰離子在銅箔表面實(shí)現(xiàn)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(yīng)和“死鋰”形成。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，這款無(wú)負(fù)極鋰金屬軟包電池在無(wú)集流體修飾、無(wú)外源補(bǔ)鋰的條件下，能量密度達(dá)508瓦時(shí)每千克(Wh/kg)、1668瓦時(shí)每升(Wh/L)，而當(dāng)前傳統(tǒng)商用電池能量密度不足280瓦時(shí)每千克。此外，在80%放電深度下，這款電池穩(wěn)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(xù)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(xiàng)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(guī)模量產(chǎn)極高能量密度電池提供了理論支持。