锂金属电池的能量密度可能远高于锂离子电池，而锂离子电池是目前市场上的主要电池技术。然而，锂金属电池通常也存在明显的局限性，其中最明显的就是使用寿命短。
据外媒报道，中国科学技术大学和其他机构的研究人员最近推出一种新的电解质设计，可用于开发高性能、使用寿命更长的锂金属袋式电池。相关论文已发表于期刊《Nature Energy》。该电解质具有独特的纳米级溶剂化结构，离子对紧密堆积在一起形成紧凑的离子对聚集体（CIPA）。
图片来源：期刊《Nature Energy》
“我们近期研究的主要目标是显著加速锂金属电池的实际应用，并对这一复杂系统提供深入的机械理解，”论文合著焦淑红表示。“锂金属电池是电池领域的圣杯，被视为一种有前途的下一代电池技术，因为它们具有超高的能量密度，理论上可超过500 Wh/kg。与当今主导电池市场的锂离子电池相比，这一能量密度提升了两倍多，这意味着如果我们能用锂金属电池取代锂离子电池，电动汽车的续航里程就可以增加一倍。”
目前推出的锂金属电池循环寿命非常有限，约为50次循环，明显低于商用锂离子电池，后者通常可在约1,000次循环中保持良好性能。寿命较短的原因是锂枝晶的生长、锂金属的高反应性和高压过渡金属阴极，这些因素共同促使电解质不断降解。
焦教授说：“尽管世界各地的研究人员付出了巨大的努力，但锂金属电池的性能仍然远远不能令人满意（>500 Wh/kg，1,000次循环）。主要原因是电解质和电极之间的界面（即阳极-电解质界面和阴极-电解质界面）不能像锂离子电池那样完全稳定。在电池运行过程中，电解质仍然会持续严重降解。”
大约五年前，焦教授和她的同事设计了一种电解质，可以同时稳定锂金属电池中的阳极电解质和阴极电解质界面，从而抑制电解质的降解。该电解质设计建立在对锂金属电池内部微观物理化学过程的早期研究的基础上。
焦教授解释说：“电解质是锂金属电池的关键成分，因为它可以调节SEI的化学性质/结构，从而引导锂金属的电镀行为，最终决定电池的性能。”
“为了实际应用，我们尝试使用廉价的组件来实现这一点。该领域其他研究人员的无数研究成果也给了我们很大的启发，他们引入了许多新型电解质，如高浓度电解质、局部高浓度电解质、弱溶剂电解质和液化气电解质等。”
为了进行这项最新研究，焦教授及其研究小组与其他能够进行理论计算并能够在微观尺度上表征电解质的团队合作，最终设计出一种可以延长锂金属电池寿命的新型电解质。
该电解质由市售且价格实惠的分子制成。其特征是其独特的溶剂化结构。焦教授表示：“溶剂化结构是电解质的一个重要固有特征，因为它决定了电解质的界面行为，就像其界面反应机制控制着SEI的形成，从而控制着SEI的化学和结构。”
“迄今为止，在同行评议的科学文献中，电解质溶剂化结构已在微观层面上得到深入调整，特别是锂离子的第一溶剂化壳层，但超出这一尺度的结构调整，即第二溶剂化壳层及以后的结构调整，在很大程度上被忽视了。”焦教授及其同事最近的研究开创了在中观层面调整电解质溶剂化结构的先河。该独特设计特别关注电解质聚集结构形成背后的离子对之间的相互作用。
“我们的电解液具有大而致密的聚集体，这些聚集体由锂阴离子对紧密堆积并相互配位结合而成，我们将其定义为‘致密离子对聚集体（CIPA）’，”焦教授表示。“这与局部高浓度电解液中小聚集体和单独离子对占主导地位形成了鲜明对比，这是一种最先进的电解液，具有迄今为止领先的电池性能，为电解液设计开辟了一条新途径。”
值得注意的是，该研究团队设计的新型电解液在锂金属阳极上表现出独特的集体还原。这意味着CIPA结构中的阴离子云在锂表面迅速还原（即分解），形成Li2O和LiF等无机化合物，以及薄而稳定的SEI，从而抑制了电解液的持续分解。
“得益于独特的集体电子转移行为，我们的电解质形成了一层薄而保形的SEI，有机物含量低，无机成分丰富且分布均匀，可以促进SEI内部锂离子通量均匀，锂沉积无枝晶，”焦教授表示。“这导致锂沉积均匀致密，从而减少了锂金属阳极的比表面积，进一步抑制了电解质的分解。”
此外，研究人员新设计的电解质同时表现出良好的氧化稳定性，并抑制了过渡金属元素从阴极的溶解，从而提高了阴极界面的稳定性。研究发现，这种界面的稳定性以及锂-电解质界面的稳定性可以转化为长时间的稳定循环。
焦教授表示：“我们论文中介绍的中观溶剂化结构带来了一类新型电解质，为锂金属电池的电解质设计开辟了一条新途径。”
为了评估新设计的电解质的潜力，研究人员用它来制造一个500 Wh/kg的锂金属软包电池。在初步测试中，发现该电池在运行130次后仍能保留91%的能量。未来，这种新的电解质设计可以被世界各地的其他研究人员复制和测试，以进一步评估其延长锂金属电池寿命的潜力。
焦教授补充道：“我们目前计划将500 Wh/kg锂金属软包电池的循环寿命进一步延长至1,000次以上。另一方面，我们仍在探索新的电池系统，以实现更高的能量密度和更长的使用寿命，例如≥ 600 Wh/kg和100-200次循环。所有这些基础科学研究对于实现锂金属电池在许多场景中的部署都很有价值。”
