Credit:DOI:10.1038/s 41560-021-00962-y锂(Li)金属电池目前被认为是最有前景的下一代电池之一。因此，世界各地的许多学者和公司都将研究重点放在了这些电池的开发上，希望逐步走向所谓的“碳中和”，即二氧化碳净零排放。尽管锂金属电池具有许多优点，但迄今为止仍存在一些问题。其中最显著的是Li枝晶的形成和短的循环寿命。因此，许多专门从事电池设计的工程师一直在试图设计策略来克服这些问题。
解决锂金属电池相关问题的最现实和最有希望的方法之一是设计替代的液体电解质。在最近发表在《自然能源》杂志上的一篇论文中，斯坦福大学的一个团队介绍了一种新的溶剂分子，可以用来改善这些液体电解质的性能。
“液体电解质工程策略与目前的大规模生产线(无论是化学工业还是电池生产线)完全兼容，”进行该研究的研究人员之一Zhiao Yu告诉TechXplore。“电解质工程方面的一些近期工作(如盐添加剂的优化、溶剂配方的调控、高浓度和局部高浓度电解质等。)确实在一定程度上提高了锂金属电池的循环性能，但目前的方法仍然缺乏对结构-性能关系的清晰理解。”
两年前，俞发现了一种用于锂电池电解液的特殊溶剂分子并申请了专利，他将其命名为。在它被发现的时候，这种分子没有化学文摘社编号(即用于化学物质分类的编号)，这表明它可能以前从未被鉴定过。
于发现，与其他现有的溶剂分子相比，能使电池表现出色。此外，它可以作为单盐、单溶剂和在低浓度配方中使用。
“这种特性在当时是非常独特的，即使到现在，也只有少数电解质可以做到这一点，”于解释说。“然而，FDMB并不完美。我发现基于FDMB的电解质在长期电池循环过程中遭受过电位增加；换句话说，在长时间使用电池后，你会发现提供的电压不如以前了。这对电池来说是致命的。”
据俞介绍，他发现的这种不良性质可能与Li+离子和液体之间的独特相互作用有关，这种相互作用导致电解质中离子传输不良。去年，于和他的一些同事发现了另一种分子并申请了专利，他们将其命名为DEE。值得注意的是，他们发现迪优于FDMB，在长期电池循环中没有表现出同样的超电势增加。
“尽管其性能良好，但我们发现DEE仍然损害了锂金属电极的稳定性，”于说。“因此，作为新研究的一部分，我使用DEE分子作为主链来微调端基的氟化程度，并获得了一个氟化DEE家族(我们对其进行了专利保护)，该家族在锂金属电池的电极稳定性和高离子传输之间实现了最佳平衡。”
值得注意的是，当Yu和他的同事检查CAS目录时，他们发现他们发现的氟化DEEs(F5DEE)中有一种还没有ID号，因此在以前的研究中没有发现。此外，基于这些新溶剂的电解质实现了99.9±0.1%的锂金属效率，这可能是迄今为止电极稳定性以及实际锂金属全电池长期循环的最高值。最后，这种溶剂可能是迄今为止报道的工业用无阳极磷酸铁锂基凝胶卷式袋状电池中最长的循环寿命。
Zhao Yu(右一)和一名合作者在实验室工作。“除了电池性能之外，这些溶剂可以通过低成本的原料和简单的合成步骤容易地大规模合成，”于说。“对我来说，我们工作最显著的成就超越了电池开发领域。相反，我们展示了如何“战胜自己”我在2020年做的FDMB溶剂分子已经做得很好了；但是当我发现它的缺点时，我决定创造一些新的东西来“打败”我自己的FDMB。"
发现两种新的氟化dee(F4 dee和F5DEE)是一个漫长的过程，涉及多个步骤。最初，于合成了F3DEE和F6DEE。随后，他测试了他们最初的表现。
“整个过程并不简单，在整个研究过程中，我真的感受到了化学的魅力:一步一步的微调，”于说。“我本可以仅仅用这两种分子发表一篇文章，但我认为我必须进一步推动这种表现。然后一个火花般的想法出现在我的脑海中:我也许可以通过一个原子一个原子地微调氟化度来调节电池的性能。”
当于开始尝试合成F4DEE时，他发现尽管它取得了卓越的性能，但它仍有一个小缺陷。为了克服这一缺陷，他进一步微调了它的分子结构，并获得了F5DEE，这是一种能够实现最先进性能的分子，以前没有注册过。
“我们工作中的电解质溶剂分子可以用低成本的前体大规模合成，”于说。“此外，我们基于液体电解质的金属锂电池或无阳极电池技术与现有的大规模生产线兼容，因此不需要对生产进行革命性的升级，可以为制造工程节省大量时间。”
于和他的同事最近的工作是由美国能源部资助的。该团队现在已经为他们发现的所有这些极具前景的新分子申请了专利，并计划将其引入市场。
“著名投资家克里斯·萨卡曾经说过‘创意是廉价的；执行就是一切，”于说。“高效的执行力，市场和用户认可的现实产品，才是我们应该做的事情。同样的原理也完全适用于电池领域。”
现有的和广泛使用的锂离子电池技术在能量密度、循环寿命、成本和制造方面已经达到了它们的理论极限。因此，为了继续推动电池技术的创新，研究人员需要设计和确定替代材料、溶剂和电池设计。
在未来，这组研究人员确定的高性能溶剂最终可能有助于开发下一代锂金属电池，克服过去遇到的一些问题。在接下来的研究中，俞和他的同事们将寻找新的溶剂分子，使锂金属电池性能更好，安全性更高，对环境更友好，更好地满足消费者的需求。
“在新材料的开发中，应该考虑并认真追求近期和远期技术，前者是为了短期的广泛应用，而后者是为了长期的愿景和赛博朋克风格的元宇宙，”于补充说。“在鲍振安教授、教授和教授研究小组工作的基础上，我们现在将与电池行业、国家实验室和我们潜在的初创公司合作，进一步开发我们的电解质和锂金属电池。”
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