Credit: Pixabay/ CC0公共领域锂离子电池使我们现在认为是理所当然的轻便电子设备以及电动汽车生产的快速扩张成为可能。但是，世界各地的研究人员正在继续推动极限，以实现越来越大的能量密度——在给定质量的材料中可以储存的能量——以提高现有设备的性能，并有力地支持远程无人机和机器人等新应用。一个有希望的方法是用金属电极代替传统的石墨，在阴极有更高的充电电压。然而，这些努力受到了各种不必要的化学反应的阻碍，这些化学反应是与分隔电极的电解质发生的。现在，麻省理工学院和其他地方的一组研究人员发现了一种新的电解质，可以克服这些问题，并可以在不牺牲循环寿命的情况下，大幅提高下一代电池的单位重量功率。
这项研究发表在《自然能源》杂志上，论文由麻省理工学院教授、-霍恩和杰里迈亚·约翰逊、博士后·薛以及麻省理工学院、两个国家实验室和其他地方的其他19人撰写。研究人员表示，这一发现可能使锂离子电池(目前通常每公斤可储存约260瓦时)储存约420瓦时成为可能。这将转化为电动汽车更长的续航里程和便携式设备更持久的变化。
这种电解液的基本原材料价格低廉(尽管其中一种中间化合物的价格仍然很高，因为它的用途有限)，而且制造过程也很简单。因此，研究人员说，这一进展可以相对较快地实现。
化学教授约翰逊解释说，电解质本身并不新鲜。它是几年前由这个研究团队的一些成员开发的，但用于不同的应用。这是开发锂空气电池的努力的一部分，这被视为最大化电池能量密度的最终长期解决方案。但是这种电池的发展仍然面临许多障碍，这项技术可能还需要几年的时间。与此同时，将这种电解质应用于带有金属电极的锂离子电池，结果证明可以更快地实现。
这种电极材料的新应用是“偶然”发现的，几年前，邵洪恩、约翰逊和其他人在一项旨在开发锂空气电池的合作项目中首次开发了这种材料。
约翰逊说:“仍然没有什么东西可以让一个好的可充电锂空气电池发挥作用。然而，“我们设计了这些有机分子，我们希望与现有使用的液体电解质相比，它们可能具有稳定性。”他们开发了三种不同的基于磺胺的配方，他们发现这三种配方对氧化和其他降解效果有很强的抵抗力。随后，博士后薛与李的团队合作，决定用更标准的阴极来替代这种材料。
核科学与工程、材料科学与工程教授李说，他们现在使用的这种电池电极是一种含有钴和锰的氧化镍，是当今电动汽车工业的主力。
因为电极材料在充电和放电时会各向异性地膨胀和收缩，所以当与常规电解质一起使用时，这可能导致破裂和性能下降。但是在与布鲁克海文国家实验室合作的实验中，研究人员发现，使用新的电解质大大减少了这些应力腐蚀开裂降解。
问题是合金中的金属原子倾向于溶解到液体电解质中，失去质量并导致金属开裂。相比之下，新电解质对这种溶解具有极强的抵抗力。李说，从布鲁克海文测试的数据来看，“如果你只是更换电解液，那么所有这些裂缝都消失了，这有点令人震惊。”他们发现电解质材料的形态更加坚固，过渡金属在这些新电解质中“只是没有那么大的溶解度”。
他说，这是一个令人惊讶的组合，因为这种材料仍然很容易让锂离子通过——这是电池充电和放电的基本机制——同时阻止其他被称为过渡金属的阳离子进入。与标准电解质相比，在多次充放电循环后，电极表面上不需要的化合物的积累减少了十倍以上。
机械工程和材料科学与工程教授邵-霍恩说:“电解液在化学上能够抵抗高能富镍材料的氧化，防止颗粒断裂，并在循环过程中稳定正极。“这种电解液还能够稳定、可逆地剥离和电镀锂金属，这是实现可充电锂金属电池的重要一步，其能量是最先进锂离子电池的两倍。这一发现将推动锂金属电池电解液的进一步研究和设计，使之与固态电解液相媲美。”
下一步是扩大生产规模，使其价格合理。约翰逊说:“我们从现成的商业原材料中很容易地做出反应。目前，用于合成电解质的前体化合物价格昂贵，但他表示，“我认为，如果我们能向世界展示这是一种非常适合消费电子产品的电解质，进一步扩大规模的动机将有助于推动价格下跌。”
李说，因为这本质上是对现有电解液的“替代”，不需要重新设计整个电池系统，所以它可以很快实施，并可能在几年内商业化。“没有昂贵的元素，只有碳和氟。所以它不受资源的限制，它只是一个过程，”他说。
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