美国研发可在零下10摄氏度工作的锂金属电池

锂电池，或者说锂金属电池都采用锂金属为阳极。在过去几十年中，可充电的锂电池被广泛采用，用于给玩具、便携式消费设备和电动汽车等各种电子设备供电。

（图片来源：宾夕法尼亚州立大学）

但是，此类电池通常在室温下才能实现可靠性能，当温度低于零下10摄氏度时，其能源效率、功率和循环寿命就会显著下降。在低温下不能很好工作是此类电池的一大缺点，极大地限制其用于特别寒冷的气候地区。造成这一缺点的主要原因在于，在温度低于零下10摄氏度时，固体电解质间相（SEI）会变得不稳定，导致电池阳极在锂电镀时出现树突。

据外媒报道，美国宾夕法尼亚州立大学（Pennsylvania State University）和阿贡国家实验室（Argonne National Laboratory）的一组研究人员最近研发了一种新型锂金属电池设计，可以克服上述缺点。研究人员发现，与之前研发锂电池相比，新电池在低温下的表现非常好。

最开始，研究人员在低温下仔细检查了锂金属电池，以便更好地了解影响其性能的因素。他们观察到，气温在零下15摄氏度时，电池的SEI（来源于传统电解质）会结晶度很高且不均匀，从而极大地限制了氟化锂纳米盐等被动SEI成分的形成，导致表面钝化不良、锂腐蚀以及阳极上生长树突。

在室温下，添加其它层保护阳极、利用替代性电解质或引入锂主电极可以防止此类影响。但是在低温下，控制SEI纳米结构则更具挑战性，会导致电池运行不稳定。因此，研究人员设计了一种纳米级被动SEI，可以让锂金属阳极在低温下稳定运行。

研究人员提出，可通过在铜电流集电器表面组装1、3苯二磺酰氟单分子层来控制SEI纳米结构以及锂电池中的锂成核。新引入的电化学活性单分子层（EAM）改变了界面的化学环境，促进锂表面形成氟化锂（LiF）。

通过改变电池界面的化学环境，研究人员新推出的设计策略改变了电解质分解的途径和动态情况，进而导致钝化质量得到提升、不同SEI的产生。更具体地说，该单分子层在铜电流集电器上形成了亲锂阴离子。当该界面的锂离子浓度较低时，可以引导锂成核和生长。

在低温情况下，此种设计策略导致多层SEI形成，此种多层的SEI由富含氟化锂的内相和非晶态外层组成。此外，此种被动多层SEI与传统锂金属电池中的非被动SEI有很大的不同，传统锂金属的SEI层在低温时，结晶度很高，是以Li2CO3为主的结构。

在测试中，研究人员采用新设计测量打造的新电池，发现在低温下也实现了很好的性能。更具体地说，此种方法成功地抑制了锂的电偶腐蚀以及自放电，让锂在零下60摄氏度至45摄氏度的所有温度下都可稳定沉积。

研究人员发现，用他们的方法制造出容量为2.0 mAh的锂/ LiCoO2（含锂二氧化钴）电池，可在零下15摄氏度实现200次充放电循环，充满电需要45分钟。未来，此种设计策略可能会为新型节能锂电池的发展铺平道路，让电池可以在温度低于零下10摄氏度或零下15摄氏度的国家或地区可靠地工作。