為了探索更具應用前景的鋰電池，許多研究團隊已將目光放到了基于純鋰的金屬陽極方案，而不是當前普遍采用的混合材料。同時為了攻克在低溫下性能不佳的缺點，該領域的科學家們也已經取得了一些突破。比如加州大學圣迭戈分校（UCSD）的研究團隊，就依靠電解質中的弱鍵，釋放了鋰金屬電池在寒冷條件下的空前性能。


鋰離子和電解質分子之間結合的模擬結構（來自：UCSD）

鋰金屬電池之所以被寄予厚望，是因為與當前普通的石墨 / 銅混合材料相比，純鋰金屬陽極具有出色的能量密度。

在巨大的差異面前，研究人員將之描述為一種“夢想材料”，并且期望成為未來打破能量密度瓶頸的一個關鍵。

作為在循環過程中于電池兩極間來回攜帶鋰離子的溶液，電解質在一塊電池中的重要性也是不言而喻。

通常情況下，低溫電池需要額外的加熱系統。不過加州大學圣迭戈（UCSD）研究團隊正在開發的這種鋰金屬電池，卻有望在極端低溫下進行高效的充放電。

據悉，其目的是開發出一種不會凍結的電解液，并且能夠在低溫下保持鋰離子在電極之間的流動性。

目前研究團隊正在嘗試兩種類型的電解質，其中一種可與離子牢固結合、另一種則要弱得多，進而驗證哪種情況更適用于低溫工況。

結果發現，在 -60℃（-76℉）環境下，采用牢固結合電解質的這組實驗電池僅能堅持兩個循環，而后就停止了工作。

作為對比，采用弱結合電解質方案的電池，可在經歷 50 次充放電循環后，依然保持平穩的運行，且能夠保留 76% 的原始容量。

如果將工作溫度改成 -40℃（-40℉），弱結合電解質方案的電池組更能保留初始容量的 84% 。

論文一作 John Holoubek 表示：“我們發現鋰離子與電解質之間的結合、以及離子在電解質中所占據的結構，與它們在低溫下的表現有極大的關聯”。

針對此類概念驗證電池的進一步研究表明，弱結合電解質能夠讓離子更均勻地沉積在電池陽極上，而強結合電解質則會導致塊狀和針狀的沉積（枝晶）。

枝晶是改善鋰電池性能的另一個重要公關方向，因其可能導致電池發生短路失效等嚴重故障。

研究合著者 Zheng Chen 表示：“通過在原子層面了解鋰離子和電解質的相互作用，不僅可以提升鋰電池的低溫表現，還有助于防止枝晶的形成”。

展望未來，這種類型的設備有望在外層空間和深海勘探等領域發揮重要的作用。有關這項研究的詳情，已經發表在近日出版的《自然能源》（Nature Energy）期刊上。

原標題為《Tailoring electrolyte solvation for Li metal batteries cycled at ultra-low temperature》。