Credit: CC0加州大学圣地亚哥分校的公共领域纳米工程师发现了开发在超低温下性能良好的锂金属电池的新的基本见解；主要是电解质对锂离子的吸附越弱越好。通过使用这种弱结合电解质，研究人员开发了一种锂金属电池，可以在低至-60摄氏度的温度下重复充电——这在该领域是第一次。研究人员在2月25日发表在《自然能源》上的一篇论文中报告了他们的工作。
在测试中，概念验证电池在-40和-60摄氏度下分别保持了84%和76%的容量。研究人员表示，这样的表现是前所未有的。
其他已经开发出来用于零下温度的锂电池能够在寒冷中放电，但充电时需要温暖。这意味着必须携带一个额外的加热器，才能在外太空和深海探测等应用中使用这些电池。另一方面，新电池可以在超低温下充电和放电。
这项工作是加州大学圣地亚哥分校纳米工程教授刘平、陈政和托德·帕斯卡的实验室之间的合作，提出了一种提高锂金属电池在超低温下性能的新方法。迄今为止，许多努力都集中在选择不那么容易冻结、能让锂离子在电极间快速移动的电解质上。在这项研究中，加州大学圣地亚哥分校的研究人员发现，不一定是电解质移动离子的速度有多快，而是它有多容易释放离子并将其沉积在阳极上。
加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院纳米工程博士学生、第一作者约翰·霍鲁贝克说:“我们发现，锂离子和电解质之间的结合，以及离子在电解质中的结构，意味着这些电池在低温下的生死存亡。
研究人员通过比较两种电解质的电池性能做出了这些发现:一种与锂离子结合较弱，另一种结合较强。具有弱结合电解质的锂金属电池在-60摄氏度时整体表现更好；经过50次循环后，它仍然表现强劲。相比之下，具有强结合电解质的电池仅在两个循环后就停止工作。
循环电池后，研究人员将它们拆开，比较阳极上的锂金属沉积物。分歧也很明显。在弱结合电解质的细胞中，沉积物是光滑和均匀的，但是在强结合电解质的细胞中，沉积物是块状和针状的。
细节很重要
研究人员说，电池性能的差异都可以归结为纳米级的相互作用。“锂离子如何在原子水平上与电解质相互作用，不仅能在非常非常低的温度下实现可持续循环，还能防止枝晶的形成，”陈说。
为了理解原因，研究小组使用计算模拟和光谱分析详细研究了这些相互作用。在其中一种被称为乙醚(或DEE)的电解质中，研究人员观察到了由锂离子组成的分子结构，这些锂离子与周围的电解质分子弱结合。在另一种称为DOL/DME的电解质中，研究人员观察到离子和电解质分子之间具有强结合的结构。
研究人员说，这些结构和结合强度很重要，因为它们最终决定了锂在低温下如何沉积在阳极表面。Holoubek解释说，在弱束缚结构中，比如在DE E电解质中观察到的结构，锂离子很容易离开电解质的束缚，所以不需要太多能量就能让它们沉积在阳极表面的任何地方。这就是为什么存款在DEE中是平滑均匀的。但是在强束缚结构中，如DOL/DME中的结构，需要更多的能量将锂离子从电解质中拉出。因此，锂更愿意沉积在阳极表面有极强电场的地方——任何有尖端的地方。锂会继续堆积在尖端，直到电池短路。这就是为什么DOL/DME中的沉积物呈块状和树枝状。
“弄清楚锂形成的不同类型的分子和原子结构，锂如何与某些原子协调——这些细节很重要，”指导计算研究的帕斯卡说。“通过从根本上了解这些系统是如何结合在一起的，我们可以为下一代储能系统提出各种新的设计原则。这项工作展示了nanoengi neering的力量，即弄清楚小规模发生了什么，就能设计大规模的器件。”
兼容阴极
这些基本见解使该团队能够设计出与电解质和阳极兼容的阴极，以实现低温性能。这是一种硫基阴极，由低成本、丰富且环境友好的材料制成，不使用昂贵的过渡金属。
“这项工作的意义实际上是双重的，”刘说，他的实验室设计了这种阴极，并一直在优化这种阴极在DEE正常条件下的循环性能。“在科学上，它提出了与传统智慧相反的见解。从技术上来说，这是第一个可充电的锂金属电池，在-60℃下完全工作时可以提供有意义的能量密度。这两个方面都为超低温电池提供了一个完整的解决方案。”
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