據(jù)外媒報(bào)道，下一代電池的一個(gè)特別有前途的架構(gòu)是使用純鋰金屬，這種材料具有出色的能量密度，可以使電動(dòng)汽車在每次充電時(shí)行駛更遠(yuǎn)。美國(guó)的一個(gè)研究小組已經(jīng)在這項(xiàng)技術(shù)上邁出了重要的一步，提出了一種長(zhǎng)效鋰金屬電池的設(shè)計(jì)，該電池在破紀(jì)錄的充電周期內(nèi)仍能保持功能。

這些類型的電池背后的想法是將陽(yáng)極組件中使用的石墨換成純鋰金屬，它可以容納多達(dá)10倍的能量。鋰金屬被一些研究人員描述為一種夢(mèng)幻般的材料，被認(rèn)為是幫助我們突破能源儲(chǔ)存的關(guān)鍵瓶頸的關(guān)鍵，但科學(xué)家們一直在努力解決壽命問題，到目前為止開發(fā)的版本在使用過程中很快就會(huì)失效。

這種失敗的原因之一是發(fā)生在陽(yáng)極周圍的復(fù)雜反應(yīng)，影響到陽(yáng)極上面的一層薄膜，稱為固體電解質(zhì)界面相(SEI)。這層薄膜控制著從電解質(zhì)溶液中進(jìn)入陽(yáng)極的分子，電子通過這層薄膜來(lái)回穿梭于電池的另一個(gè)電極，即陰極。

這樣一來(lái)，這種把關(guān)的作用使SEI承擔(dān)了防止電池循環(huán)時(shí)發(fā)生不必要的化學(xué)反應(yīng)的責(zé)任，而這正是美國(guó)能源部西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(PNNL)的科學(xué)家在一項(xiàng)新研究中所針對(duì)的機(jī)制。人們通常認(rèn)為，增加陽(yáng)極中的鋰的數(shù)量是解決這一問題的方法之一，但該團(tuán)隊(duì)通過另一種方法發(fā)現(xiàn)了成功。

“許多人都認(rèn)為，更厚的鋰會(huì)使電池的壽命更長(zhǎng)，”該論文的通訊作者肖杰說(shuō)。“但這并不總是真的。每個(gè)鋰金屬電池都有一個(gè)優(yōu)化的厚度，取決于其電池能量和設(shè)計(jì)。”

科學(xué)家們使用非常薄的鋰條作為他們的陽(yáng)極的基礎(chǔ)，每條的寬度只有20微米，遠(yuǎn)比人的頭發(fā)薄。這種陽(yáng)極被加工成能量密度為350Wh/kg的袋式電池。今天使用的同類最好的鋰離子電池的密度為250至300Wh/kg，因此雖然350Wh/kg在研究界并非聞所未聞，但它將是對(duì)目前可用技術(shù)的明顯改進(jìn)。

在測(cè)試中，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，在創(chuàng)紀(jì)錄的600次循環(huán)后，該電池保持了76%的容量。同樣的研究人員在四年前展示了一個(gè)可以跨越50次循環(huán)的實(shí)驗(yàn)性鋰電池，然后在兩年前展示了一個(gè)能夠跨越200次循環(huán)的鋰電池。目前這個(gè)創(chuàng)紀(jì)錄的版本是向前邁出的另一個(gè)關(guān)鍵步驟，根據(jù)該團(tuán)隊(duì)的說(shuō)法，其持續(xù)時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過類似研究項(xiàng)目中正在開發(fā)的任何其他產(chǎn)品。

該團(tuán)隊(duì)將該設(shè)計(jì)的成功歸功于較薄的條帶促進(jìn)了更好的SEI，因此與扼殺重要電化學(xué)反應(yīng)的較厚條帶相比，電解質(zhì)和陽(yáng)極之間有更好的相互作用。在解決了與鋰金屬電池有關(guān)的一個(gè)關(guān)鍵問題之后，作者希望通過一個(gè)被稱為Battery500的多機(jī)構(gòu)聯(lián)盟繼續(xù)改進(jìn)該技術(shù)，該聯(lián)盟正在努力實(shí)現(xiàn)500Wh/kg的能量密度。

"Battery500聯(lián)盟在提高能量密度和延長(zhǎng)循環(huán)壽命方面取得了巨大進(jìn)展，"2019年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主、該論文的共同作者斯坦利·惠廷厄姆(Stanley Whittingham)說(shuō)。“但還有很多事情需要做。特別是，鋰金屬電池存在的安全問題必須得到解決。這也是Battery500團(tuán)隊(duì)正在努力解決的問題。”

該研究發(fā)表在《自然-能源》雜志上。