一個研究小組發現了一種穩定鋰金屬電池中鋰金屬電極和電解質的新機制。這種新機制不依賴於傳統的動力學方法。它有可能大幅提高電池的能量密度–相對於重量或體積的能量儲存量。

該團隊於當地時間10月27日在《Nature Energy》上發表了他們的發現。

鋰金屬電池是一種有前途的技術，有可能滿足對高能量密度存儲系統的需求。然而由於這些電池中的電解質不停地分解，它們的庫侖效率很低。庫侖效率也稱為電流效率，描述了電子在電池中傳輸的效率。因此，庫侖效率高的電池有更長的電池循環壽命。

“這是第一篇提出電極電位和相關結構特徵作為設計鋰金屬電池電解質的指標的論文，這些指標是通過引入數據科學與計算相結合而提取的，”東京大學化學系統工程系教授Atsuo Yamada說道，“基於我們的發現，能夠實現高庫侖效率的幾種電解質已經被輕鬆開發出來。”該團隊的工作有可能為鋰金屬電池的下一代電解質的設計提供新的機會。

在鋰離子電池中，鋰離子在充電時通過電解質從正極移動到負極，放電時又返回。通過引入高能量密度的電極，電池的能量密度可以得到改善。在這種情況下，在過去的幾十年裡進行了許多研究，將石墨負極改為金屬鋰。然而金屬鋰有很高的反應性，它會減少其表面的電解質。正因為如此，鋰金屬電極顯示出較差的庫倫效率。

為了克服這個問題，科學家們已經開發了功能性電解質和電解質添加劑，進而形成了一個表面保護膜。這種固體電解質間相對鋰電池的安全和效率有影響。表面保護膜阻止了電解液和金屬鋰電極之間的直接接觸，從而在動力學上減緩了電解液的還原。然而直到現在，科學家們還沒有完全理解固體電解質間相與庫侖效率之間的相關性。

科學家們知道，如果他們改善固體電解質間相的穩定性，那麼他們可以減緩電解質的分解，電池的庫侖效率就會提高。但即使有先進的技術，科學家們發現很難直接分析固體電解質間相的化學性質。大多數關於固體電解質間相的研究都是用間接方法進行的。這些研究提供了間接證據，因此很難開發出導致高庫侖效率的電解質穩定的鋰金屬。

研究小組確定，如果他們能在特定的電解質系統中提升鋰金屬的氧化-還原電位，他們就能減少還原電解質的熱力學驅動力從而獲得更高的庫侖效率。這種策略在開發金屬鋰的電池中很少被應用。Atsuo Yamada說道：“金屬鋰的熱力學氧化-還原電位因電解質的不同而有很大的差異，它是一個簡單但被忽視的因素，影響著金屬鋰電池的性能。”

該團隊研究了金屬鋰在74種電解質中的氧化-還原電位。研究人員在所有的電解質中引入了一種叫做二茂鐵的化合物以作為IUPAC（國際純粹與應用化學聯盟）推薦的電極電位的內部標準。研究小組證明，金屬鋰的氧化-還原電位跟庫侖效率之間存在著關聯。他們在金屬鋰的氧化還原電位上移的情況下獲得了高庫侖效率。

展望未來的工作，研究小組的目標是更詳細地揭開氧化-還原電位轉移背後的合理機制。“我們將設計保證庫倫效率大於99.95%的電解質。即使使用先進的電解質，金屬鋰的庫侖效率也低於99%。然而至少99.95%是金屬鋰基電池商業化的要求，”Atsuo Yamada說道。