即使手機(jī)關(guān)機(jī)也會(huì)消耗掉電池，對(duì)于鋰金屬電池來說，問題更大，因?yàn)殇嚱饘匐姵卣诒婚_發(fā)用于下一代更小、更輕的電子設(shè)備、遠(yuǎn)距離電動(dòng)汽車和其他用途。

現(xiàn)在，斯坦福大學(xué)和能源部SLAC國家加速器實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們首次在原子尺度上研究了這個(gè)被稱為"日歷老化"的過程是如何攻擊鋰金屬陽極或負(fù)極的。他們發(fā)現(xiàn)，在電極之間攜帶電荷的電池電解液的性質(zhì)對(duì)老化有很大的影響，這是在開發(fā)能使電池性能最大化的電解液時(shí)需要考慮的因素。

研究還顯示，日歷老化可以在短短24小時(shí)內(nèi)耗盡鋰金屬電池2-3%的電量，而鋰離子電池則需要3年時(shí)間。雖然這種電荷滲出會(huì)隨著時(shí)間的推移而減緩，但很快就會(huì)累積起來，并可使電池的壽命縮短25%。

"我們的工作表明，電解液可以使存儲(chǔ)電池的穩(wěn)定性產(chǎn)生很大的變化，"SLAC和斯坦福教授YiCui說，他與斯坦福教授ZhenanBao一起領(lǐng)導(dǎo)了這項(xiàng)研究。"這是人們還沒有真正花時(shí)間去研究或使用的東西，以了解發(fā)生了什么。"

研究團(tuán)隊(duì)今天在《自然能源》上描述了他們的成果。

遠(yuǎn)行汽車的輕型電池

與今天的鋰離子電池一樣，鋰金屬電池使用鋰離子在電極之間來回輸送電荷。但鋰離子電池的陽極由石墨制成，而鋰金屬電池的陽極則由金屬鋰制成，重量更輕，在給定體積和重量的情況下，有可能儲(chǔ)存更多能量。這對(duì)于電動(dòng)汽車來說尤其重要，因?yàn)殡妱?dòng)汽車需要花費(fèi)大量的能量來拖動(dòng)其沉重的電池。減輕它們的負(fù)荷可以降低它們的成本，增加它們的行駛里程，使它們對(duì)消費(fèi)者更有吸引力。

美國能源部的電池500聯(lián)盟，包括SLAC和斯坦福大學(xué)，其目標(biāo)是為電動(dòng)汽車開發(fā)鋰金屬電池，其單位重量可存儲(chǔ)的電量幾乎是今天電動(dòng)汽車電池的三倍。雖然他們?cè)谔岣哌@些電池的能量密度和壽命方面取得了很大的進(jìn)展，但他們還有一段路要走。他們還在努力解決樹枝狀物的問題，樹枝狀物是陽極上的手指狀生長物，會(huì)使電池短路并起火。

在過去的幾年里，作為SLAC的斯坦福材料與能源科學(xué)研究所的研究人員，Bao和Cui合作找到了解決這些問題的方法，包括一種防止鋰金屬陽極上樹枝狀物生長的新涂層，以及一種也能防止樹枝狀物生長的新電解質(zhì)。

Cui實(shí)驗(yàn)室的博士生DavidBoyle說，大多數(shù)這類研究都集中在最大限度地減少反復(fù)充電和放電造成的損害，因?yàn)榉磸?fù)充電和放電會(huì)使電極拉傷和開裂，限制電池的工作壽命。

但他說，在這項(xiàng)研究中，該團(tuán)隊(duì)希望測試各種不同化學(xué)成分的電解質(zhì)，以了解鋰金屬陽極如何老化的總體情況。

腐蝕性強(qiáng)

首先，博伊爾測量了含有各種類型電解質(zhì)的鋰金屬電池的充電效率。然后，他和博士生WilliamHuang小心翼翼地拆開已經(jīng)充滿電并放置一天的電池，取出陽極，并將其在液氮中閃凍，以保存其在歷時(shí)老化過程中的特定點(diǎn)的結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分。

接下來，Huang在斯坦福大學(xué)的校園里用低溫電子顯微鏡（或稱低溫電鏡）對(duì)陽極進(jìn)行了檢查，以了解各種電解質(zhì)如何在接近原子尺度上影響陽極。這是Cui的小組幾年前開創(chuàng)的一種觀察電池元件內(nèi)部生活的方法。

在當(dāng)今的鋰離子電池中，電解液會(huì)腐蝕陽極表面，形成一層稱為固-電相間的物質(zhì)，或SEI。該層既是Jekyll，也是Hyde：它消耗了少量的電池容量，但它也保護(hù)了陽極，使其免受進(jìn)一步腐蝕。因此，總的來說，光滑、穩(wěn)定的SEI層對(duì)電池的功能是有利的。

但在鋰金屬電池中，每次電池充電時(shí)，陽極表面都會(huì)沉積一層薄薄的金屬鋰，這層金屬鋰在歷時(shí)老化過程中為腐蝕提供了一個(gè)新鮮的表面。此外，"我們發(fā)現(xiàn)這些陽極上的SEI層生長得更積極，這是因?yàn)榕c電解液發(fā)生了更積極的化學(xué)反應(yīng)，"Huang說。

他們測試的每一種電解液都會(huì)產(chǎn)生獨(dú)特的SEI生長模式，有些會(huì)形成團(tuán)塊、薄膜或兩者兼而有之，這些不規(guī)則的生長模式與更快的腐蝕和充電效率的損失有關(guān)。

尋找平衡點(diǎn)

崔永元說，與預(yù)期相反，原本可以支持高效充電的電解質(zhì)，卻和性能不佳的電解質(zhì)一樣，容易因日歷老化而導(dǎo)致效率下降。沒有一種電解質(zhì)化學(xué)成分能同時(shí)做好兩件事。

因此，要想最大限度地減少日歷老化，面臨的挑戰(zhàn)將是最大限度地減少電解液的腐蝕性和陽極表面的鋰金屬所能攻擊的范圍。

"真正重要的是，這給我們提供了一種研究哪些電解質(zhì)最有前途的新方法，"Bao說。"它指出了一個(gè)新的電解質(zhì)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，以實(shí)現(xiàn)我們?cè)谙乱淮姵丶夹g(shù)中所需要的參數(shù)。"