3月19日從西湖大學獲悉，該校工學院特聘研究員王建輝團隊研制的穿梭耦合電解液，成功實現(xiàn)鋰金屬高度同步的平面沉積與溶解，突破了無負極鋰金屬電池循環(huán)壽命短的核心瓶頸。

“無負極鋰金屬電池，不是指電池沒有負極，而是特指制造電池時舍棄任何負極活性材料，僅保留一塊銅箔作為負極的集流體。”王建輝介紹，無負極鋰金屬電池具有高能量密度、低成本、易組裝的優(yōu)勢，但循環(huán)壽命極短的缺陷使其長期停留在實驗室研究階段。

西湖大學研究團隊研制的508瓦時每千克(Wh/kg)無負極鋰金屬軟包電池樣品。西湖大學供圖。

西湖大學研究團隊研制的508瓦時每千克(Wh/kg)無負極鋰金屬軟包電池樣品。西湖大學供圖。此外，無負極鋰金屬電池在充電時，鋰離子容易在負極表面不均勻地沉積，像長樹枝一樣，堆出雜亂無章的“枝晶”。“枝晶”可能刺穿正負極之間的隔膜，引發(fā)電池短路起火;其與電解液發(fā)生副反應，會消耗本就有限的鋰;“枝晶”從根部斷裂，會變成無法再參與充放電的“死鋰”。

針對這些難題，王建輝團隊展開了持續(xù)研究。2020年，該研究第一作者、團隊成員劉磊發(fā)現(xiàn)一類含酰胺基團的溶劑表現(xiàn)突出。用它配成的電解液在紐扣電池中測試時，鋰金屬的沉積/溶解效率顯著高于對照組，還能支持高電壓鋰金屬電池穩(wěn)定循環(huán)。

以此為突破點，研究團隊經(jīng)反復優(yōu)化研制出穿梭耦合電解液，并在更貼近實際應用的軟包電池中完成驗證。這種電解液能讓鋰離子在銅箔表面實現(xiàn)高度可逆的平面沉積與溶解，從根源上避免“枝晶”產(chǎn)生，大幅減少副反應和“死鋰”形成。

實驗數(shù)據(jù)顯示，這款無負極鋰金屬軟包電池在無集流體修飾、無外源補鋰的條件下，能量密度達508瓦時每千克(Wh/kg)、1668瓦時每升(Wh/L)，而當前傳統(tǒng)商用電池能量密度不足280瓦時每千克。此外，在80%放電深度下，這款電池穩(wěn)定充放電循環(huán)突破350次，可在2650瓦時每千克超高功率下持續(xù)放電超130秒，且單位瓦時成本較商用石墨基鋰離子電池降低15%—25%。

王建輝表示，這項研究為研發(fā)高性能金屬電極開辟了新路徑，為未來大規(guī)模量產(chǎn)極高能量密度電池提供了理論支持。