即使手機(jī)關(guān)機(jī)也會(huì)消耗掉電池，對(duì)于鋰金屬電池來(lái)說(shuō)，問(wèn)題更大，因?yàn)殇嚱饘匐姵卣诒婚_(kāi)發(fā)用于下一代更小、更輕的電子設(shè)備、遠(yuǎn)距離電動(dòng)汽車和其他用途。

現(xiàn)在，斯坦福大學(xué)和能源部SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們首次在原子尺度上研究了這個(gè)被稱為"日歷老化"的過(guò)程是如何攻擊鋰金屬陽(yáng)極或負(fù)極的。他們發(fā)現(xiàn)，在電極之間攜帶電荷的電池電解液的性質(zhì)對(duì)老化有很大的影響，這是在開(kāi)發(fā)能使電池性能最大化的電解液時(shí)需要考慮的因素。

研究還顯示，日歷老化可以在短短24小時(shí)內(nèi)耗盡鋰金屬電池2-3%的電量，而鋰離子電池則需要3年時(shí)間。雖然這種電荷滲出會(huì)隨著時(shí)間的推移而減緩，但很快就會(huì)累積起來(lái)，并可使電池的壽命縮短25%。

"我們的工作表明，電解液可以使存儲(chǔ)電池的穩(wěn)定性產(chǎn)生很大的變化，"SLAC和斯坦福教授YiCui說(shuō)，他與斯坦福教授ZhenanBao一起領(lǐng)導(dǎo)了這項(xiàng)研究。"這是人們還沒(méi)有真正花時(shí)間去研究或使用的東西，以了解發(fā)生了什么。"

研究團(tuán)隊(duì)今天在《自然能源》上描述了他們的成果。

遠(yuǎn)行汽車的輕型電池

與今天的鋰離子電池一樣，鋰金屬電池使用鋰離子在電極之間來(lái)回輸送電荷。但鋰離子電池的陽(yáng)極由石墨制成，而鋰金屬電池的陽(yáng)極則由金屬鋰制成，重量更輕，在給定體積和重量的情況下，有可能儲(chǔ)存更多能量。這對(duì)于電動(dòng)汽車來(lái)說(shuō)尤其重要，因?yàn)殡妱?dòng)汽車需要花費(fèi)大量的能量來(lái)拖動(dòng)其沉重的電池。減輕它們的負(fù)荷可以降低它們的成本，增加它們的行駛里程，使它們對(duì)消費(fèi)者更有吸引力。

美國(guó)能源部的電池500聯(lián)盟，包括SLAC和斯坦福大學(xué)，其目標(biāo)是為電動(dòng)汽車開(kāi)發(fā)鋰金屬電池，其單位重量可存儲(chǔ)的電量幾乎是今天電動(dòng)汽車電池的三倍。雖然他們?cè)谔岣哌@些電池的能量密度和壽命方面取得了很大的進(jìn)展，但他們還有一段路要走。他們還在努力解決樹(shù)枝狀物的問(wèn)題，樹(shù)枝狀物是陽(yáng)極上的手指狀生長(zhǎng)物，會(huì)使電池短路并起火。

在過(guò)去的幾年里，作為SLAC的斯坦福材料與能源科學(xué)研究所的研究人員，Bao和Cui合作找到了解決這些問(wèn)題的方法，包括一種防止鋰金屬陽(yáng)極上樹(shù)枝狀物生長(zhǎng)的新涂層，以及一種也能防止樹(shù)枝狀物生長(zhǎng)的新電解質(zhì)。

Cui實(shí)驗(yàn)室的博士生DavidBoyle說(shuō)，大多數(shù)這類研究都集中在最大限度地減少反復(fù)充電和放電造成的損害，因?yàn)榉磸?fù)充電和放電會(huì)使電極拉傷和開(kāi)裂，限制電池的工作壽命。

但他說(shuō)，在這項(xiàng)研究中，該團(tuán)隊(duì)希望測(cè)試各種不同化學(xué)成分的電解質(zhì)，以了解鋰金屬陽(yáng)極如何老化的總體情況。

腐蝕性強(qiáng)

首先，博伊爾測(cè)量了含有各種類型電解質(zhì)的鋰金屬電池的充電效率。然后，他和博士生WilliamHuang小心翼翼地拆開(kāi)已經(jīng)充滿電并放置一天的電池，取出陽(yáng)極，并將其在液氮中閃凍，以保存其在歷時(shí)老化過(guò)程中的特定點(diǎn)的結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分。

接下來(lái)，Huang在斯坦福大學(xué)的校園里用低溫電子顯微鏡（或稱低溫電鏡）對(duì)陽(yáng)極進(jìn)行了檢查，以了解各種電解質(zhì)如何在接近原子尺度上影響陽(yáng)極。這是Cui的小組幾年前開(kāi)創(chuàng)的一種觀察電池元件內(nèi)部生活的方法。

在當(dāng)今的鋰離子電池中，電解液會(huì)腐蝕陽(yáng)極表面，形成一層稱為固-電相間的物質(zhì)，或SEI。該層既是Jekyll，也是Hyde：它消耗了少量的電池容量，但它也保護(hù)了陽(yáng)極，使其免受進(jìn)一步腐蝕。因此，總的來(lái)說(shuō)，光滑、穩(wěn)定的SEI層對(duì)電池的功能是有利的。

但在鋰金屬電池中，每次電池充電時(shí)，陽(yáng)極表面都會(huì)沉積一層薄薄的金屬鋰，這層金屬鋰在歷時(shí)老化過(guò)程中為腐蝕提供了一個(gè)新鮮的表面。此外，"我們發(fā)現(xiàn)這些陽(yáng)極上的SEI層生長(zhǎng)得更積極，這是因?yàn)榕c電解液發(fā)生了更積極的化學(xué)反應(yīng)，"Huang說(shuō)。

他們測(cè)試的每一種電解液都會(huì)產(chǎn)生獨(dú)特的SEI生長(zhǎng)模式，有些會(huì)形成團(tuán)塊、薄膜或兩者兼而有之，這些不規(guī)則的生長(zhǎng)模式與更快的腐蝕和充電效率的損失有關(guān)。

尋找平衡點(diǎn)

崔永元說(shuō)，與預(yù)期相反，原本可以支持高效充電的電解質(zhì)，卻和性能不佳的電解質(zhì)一樣，容易因日歷老化而導(dǎo)致效率下降。沒(méi)有一種電解質(zhì)化學(xué)成分能同時(shí)做好兩件事。

因此，要想最大限度地減少日歷老化，面臨的挑戰(zhàn)將是最大限度地減少電解液的腐蝕性和陽(yáng)極表面的鋰金屬所能攻擊的范圍。

"真正重要的是，這給我們提供了一種研究哪些電解質(zhì)最有前途的新方法，"Bao說(shuō)。"它指出了一個(gè)新的電解質(zhì)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，以實(shí)現(xiàn)我們?cè)谙乱淮姵丶夹g(shù)中所需要的參數(shù)。"