据外媒报道,普渡大学Vilas Pol能源研究小组(ViPER)进行了一项研究,有望开发高能量密度可充电锂金属电池,并解决醚基电解液的电化学氧化不稳定性问题。
(图片来源:普渡大学)
该团队的重点是设计和制造高容量材料,以用于下一代锂离子、锂硫、钠离子、固态和超低温电池系统,并提高安全性。该校化学工程教授 Vilas Pol表示:“目前储能技术快速增长,旨在降低碳排放目标,并满足消费电子和电动汽车市场对储能系统的巨大需求。这要求下一代锂电池具有更高的能量密度和安全性。”
用高能锂金属代替传统的石墨负极材料,是一种富有前景的方法。然而,这种负极材料存在可循环性和安全性低等缺点。Pol表示:“从锂金属电池(LMB)新技术基础研究的角度来看,开发可以兼容富有前景的正、负极的电解液化学成分,具有重要意义。”
在这项研究中,研究人员证明,当使用高非极性二丙醚(highly nonpolar dipropyl ether)作为电解液溶剂时,在工业可行配置下,低浓度乙醚基电解液(ether-based electrolyte)可以承受实际LMB中的长期高压(4.3 V)操作。
Li表示:“本项研究的主要挑战在于,利用稀醚基电解液,同时实现锂金属负极和高压正极的长期循环。醚的氧化稳定性较差,但与锂金属负极可以合理兼容。这项研究的目标是扩展其高压能力。研究人员从分子水平上证实了,稀醚基电解液的溶剂化行为,与其在高压正极上的性能之间,具有本质上的相关性。”
通过详细的经典分子动力学(MD)模拟和密度泛函理论(DFT)计算,再加上多模态实验分析,可以进一步解释它们之间的相关性。结果表明,调节醚基电解液的溶剂化结构,可以重新排列溶剂化物种的降解顺序,并在正极表面选择性形成鲁棒保护。此外,调整表面电双层的成分,可以防止醚氧化。
这种独特的动力学抑制方法不同于传统的策略,如使用超高浓度电解液,或引入分子氟化以提高电解液的稳定性,这大大增加了电池的成本。与传统的锂离子电池相比,ViPER开发的LMB,有望将能量密度提高40%。