電極和電解質之間的界面很大程度上影響電池轉換能量的效率。近年來，許多旨在開發性能更好的電池的努力都集中在客製化電極/電解質界面，以提高可充電電池，特別是鋰金屬電池（LMB）的能量密度。

LMB 是一種很有前景的電池解決方案，它整合了鋰金屬陽極，而不是通常採用的石墨基陽極。鋰離子電池（LiB）。與鋰電池相比，這些電池可以表現出更高的能量密度和更快的充電速度。

儘管如此，迄今為止開發的許多LMB都存在顯著的局限性，例如製造成本高、庫侖效率低以及充電過程中鋰枝晶的生長。鋰枝晶是樹狀的鋰金屬結構，在電池充電時會在陽極表面形成，增加過熱和潛在火災的風險，同時也會降低電池的效能。

克服 LMB 這一關鍵限制的可能解決方案是調節 Li⁺溶劑化結構並設計新的電解質，以促進固體電解質界面（SEI）的形成並穩定電極/電解質界面。雖然許多研究一直關注這些目標，但很少有人探討電池中的介電環境如何有助於穩定/不穩定這個介面。

浙江大學和中國其他機構的研究人員最近開展了一項研究來探索這項研究問題。他們的論文，發表在自然能源，概述了一種介電協議，可以幫助解決與 LMB 相關的一些問題，從而有可能提高其安全性和可靠性。

該論文的合著者范秀林告訴 TechXplore：“隨著電動車和儲能市場的持續增長，對鋰離子電池的需求將不斷增加。”「然而，為了實現低碳或無碳經濟，我們需要比現有鋰離子電池性能更好的電池。這就需要能量密度高於500 Wh/kg的儲能技術，為電子設備提供動力。與使用金屬電極而不是石墨電極的鋰金屬電池（LMB）相比，單次充電時間更長已經引起了我們的注意，但這些電池在實驗室和工業中都面臨著過早死亡的問題，因此我們的主要目標是開發更長的電池壽命。

研究人員論文中介紹的 LMB 設計方法考慮了界面電場對電極/電解質界面的影響，界面電場可以透過電池的電介質進行調製。透過調節電池中使用的介電介質，他們的協議確保了陽離子-陰離子協調的完整性，從而使富含陰離子的電解質暴露於界面電場時能夠形成 SEI。

「介電協議要求將陽離子-陰離子對置於具有高介電常數的非溶劑化溶劑中，這可以保護陽離子-陰離子對免於電場解離，」範解釋道。「這在電極-電解質界面附近形成了一個富含陰離子的區域。這種界面配置可以優先考慮界面處的陰離子分解，從而為鋰金屬軟包電池中的鋰沉積物提供強大的界面化學作用。”

「在帶電界面，陽離子-陰離子對排列成週期性振盪分佈，」張、李和他們的同事寫道。“低振盪幅度會加劇電解質分解並增加表面阻抗。我們提出了一種介電協議，可以在界面處以高振盪幅度保持陽離子-陰離子協調，從而解決這些問題。”

使用他們新提出的協議，該團隊實現了超精簡電解質（1～g～啊^Ø1），他們在鋰金屬軟包電池中進行了測試。由此產生的軟包電池具有 500Wh-kg 的卓越能量密度^Ø1。

「這項工作揭示了帶電電極-電解質界面上陰離子和陽離子的空間分佈，」範說。“這使我們能夠通過調整電解質成分來調整界面特性，從而提高電池性能。”

其他研究小組很快就會從該研究小組的介電介導方法中獲得靈感，為 LMB 製備其他有前景的電解質。總的來說，這些努力可以有助於開發更可靠的高密度電池解決方案。

「鋰金屬電池的高能量密度可能會導致火災和爆炸等嚴重的安全隱患，」範補充道。“我們未來的工作旨在提高鋰金屬電池在現實條件下的循環穩定性，以實現兼具高能量密度和安全性的儲能技術。”

引文