新设计可以实现更长时间，更强大的锂离子电池

使用新型电解质可以允许先进的金属电极和更高的电压，提高能力和循环寿命。

锂离子电池使轻型电子设备成为您现在所认为的便携性的轻质电子设备，以及电动汽车生产的快速扩展。但世界各地的研究人员正在继续推动限制，以实现更大的能量密度 - 可以存储在给定的材料中的能量量 - 以提高现有设备的性能，并可能使新的应用成为长期的新应用 - 漫游无人机和机器人。

一种有希望的方法是使用金属电极代替传统的石墨，在阴极中具有更高的充电电压。然而，这些努力被各种不需要的化学反应被隔开的电解质分离出来。现在，麻省理工学院和其他地方的研究人员发现了一种新颖的电解质，克服了这些问题，并且可以在不牺牲循环寿命的情况下实现每重的下一代电池的每重量大量飞跃。

该研究报告在自然能源杂志中，由麻省理工学院教授Ju Li，Yang Shao-Horn和Jeremiah Johnson; Postdoc Weijiang Xue;和19个在麻省理工学院，两个国家实验室和其他地方。研究人员说，该发现可以使锂离子电池成为可能，现在通常可以存储约260瓦特小时每公斤，以存储每公斤约420瓦特小时。这将转化为电动车的更长范围，以及便携式设备的更持久的更改。

在Brookhaven国家实验室拍摄的X射线断层摄影图像显示使用常规电解质的电池单元的一个电极中的粒子的裂缝（如左侧所示）。研究人员发现，使用新型电解质阻止了大部分裂缝（右）。

这种电解质的基本原料是便宜的（尽管其中一个中间化合物仍然是昂贵的，因为它有限地使用），并且使其简单的过程。因此，研究人员说，这一进步可以相对较快地实施。

电解质本身并不是新的，化学教授约翰逊解释。这是几年前由本研究团队的一些成员开发的，但对于不同的应用。它是开发锂气电池的努力的一部分，这些电池被视为最大限度的长期解决方案，可以最大限度地提高电池能量密度。但是，这种电池的开发仍有许多障碍，这种技术可能仍然是几年之后。同时，将电解质与金属电极的锂离子电池施加到可以更快地实现的东西。

在几年前由Shao-Horn，Johnson等几年前开发出来的新应用该电极材料的新应用是在旨在锂电池锂电池开发的协同创业之后，它最初被开发出来。

“仍然真的没有什么可以允许良好的可充电锂气体电池，”约翰逊说。然而，“与所使用的现有液体电解质相比，”我们设计了我们希望赋予稳定性的有机分子。“它们开发了三种不同的磺酰胺基配方，它们发现它们对氧化和其他降解效应非常抗性。然后，与李的小组合作，Postdoc Xue决定用更多标准的阴极尝试这种材料。

他们现在使用这种电解质的电池电极类型，含有一些钴和锰的氧化镍，“是当今电动车行业的主力，”李核科学与工程技术科学与工程教授说。

因为电极材料在充电和放电时各向异性地扩展和收缩，所以当与常规电解质一起使用时，这会导致开裂和性能击穿。但在与布鲁克海汶国家实验室合作的实验中，研究人员发现，使用新电解液大大降低了这些应力腐蚀裂化的降解。

问题是合金中的金属原子倾向于溶于液体电解质，损失质量并导致金属的破裂。相比之下，新电解质对这种溶解非常抗性。李说，从布鲁克海文试验中看待数据，这是“看到这一点，如果你只是改变电解质，那么所有这些裂缝都消失了。”他们发现电解质材料的形态更稳健，并且在这些新电解质中的过渡金属“只是没有溶解性。

他说，这是一个令人惊讶的组合，因为这些材料仍然可以易于允许锂离子通过 - 电池充电和放电的基本机制 - 同时阻挡另一个称为过渡金属的阳离子，进入。与标准电解质相比，许多充电放电循环后，在许多充电放电循环之后，在电极表面上的累积减少了多于十倍。

“电解质对高能量镍的材料氧化，防止颗粒断裂并在循环期间稳定正电极，”机械工程和材料科学与工程教授说。“电解质还使锂金属的稳定和可逆的剥离和电镀能够实现具有能量的可充电锂金属电池的重要步骤两倍 - 最先进的锂离子电池。该发现将催化锂金属电池的进一步电解质搜索和设计，用于靶向具有固态电解质的锂金属电池。“

下一步是扩展生产以使其实惠。“我们将其在一个非常容易的反应中从易于获得的商业原料中进行，”约翰逊说。现在，用于合成电解质的前体化合物是昂贵的，但他说，“我认为如果我们能够向世界展示这是消费电子产品的巨大电解质，进一步扩大的动机将有助于推动价格下降。“

因为这基本上是一个“替换现有电解质的”下降“，并且不需要重新设计整个电池系统，因此它可以快速实现，可以在几年内商业化。“没有昂贵的元素，它只是碳和氟。因此，它不受资源的限制，这只是过程，“他说。

参考：“超高压Ni的层状阴极在实用的Li金属电池中由磺胺酰胺基电解液”由Weijiang Xue，Mingjun Huang，Yutao Li，云光朱，瑞华，仙辉萧，王辉萧，文秀张，西普李，桂寅徐杨宇，彭丽，杰弗里·洛佩兹，戴威宇，延浩东，魏伟粉，浙江，锐雄，程君太阳，ch辉，温泉李，杨少立，耶利米，耶利米亚，耶利米亚·杰姆亚洲Ju Li，Nature Energy.doi：
10.1038 / s41560-021-00792-y

该研究得到了美国能源部和国家科学基金会的支持，并在布鲁克海汶国家实验室和阿隆纳国家实验室使用设施。