人工固態電解質層（ASEI）的發明可望在未來全面提高電池的功能和壽命
研究人員正在探索在電池中使用鋰金屬作為負極以提高能量密度，但天然固電解質相（SEI）面臨著脆性大、性能下降的挑戰。他們正在研究人工SEI（ASEI）層，包括聚合物和無機-有機雜化類型，以提高穩定性和功能性，解決枝晶生長和層黏附等問題，為生產更有效率、更安全的鋰金屬電池鋪平道路。
金屬鋰因其能量密度優於其他材料而被選為電池陽極，這是一個明智的選擇。然而，電極與電解液之間的介面存在挑戰，這為在未來應用中實現更安全、更有效率的性能提供了改進機會。
金屬鋰陽極的挑戰與解決方案
清華大學的研究人員一開始熱衷於用金屬鋰陽極取代石墨陽極，以建構能量密度更高的電池系統。然而，鋰金屬並不穩定，容易與電解質反應，形成固體-電解質相（SEI）。遺憾的是，天然的SEI 既脆又易碎，因此壽命和性能都很差。
在此，研究人員研究了一種天然SEI 的替代品，它可以有效緩解電池系統內的副反應。答案就是ASEI：人工固態電解質相。ASEI 修正了困擾裸鋰金屬陽極的一些問題，使其成為更安全、更可靠、甚至更強大的電源，可更放心地用於電動車和其他類似應用。
研究成果的發表與意義
9月25日，研究人員在《能源材料與裝置》（Energy Materials and Devices）雜誌上發表了他們的研究成果。
電池技術正在徹底改變我們的生活方式，與每個人的生活息息相關。為了實現真正的無碳經濟，需要性能更好的電池來取代目前的鋰離子電池。
每個楔形層由不同的電極-電解質界面結構組成，有助於對鋰金屬電極進行實用的全面設計。資料來源：王艷艷，阿德雷德大學
鋰金屬電池（LMB）就是這樣一個候選電池。然而，陽極（金屬鋰）與電解質具有反應性，在電池運作過程中會在金屬鋰表面形成鈍化層，即固態-電解質間相。鋰金屬陽極的另一個問題是電池充電時出現的所謂”枝晶生長”。枝晶看起來像樹枝結構，會造成電池內部損壞，刺穿隔膜導致短路、性能不佳和潛在的安全隱患。這些弱點降低了鋰金屬板的實用性，並提出了一些必須解決的挑戰。
改進鋰金屬陽極的策略
上文介紹了一些可用於製造更有效、更安全的鋰金屬陽極的策略。研究人員發現，要改進鋰金屬陽極，必須使鋰離子分佈均勻，有助於減少電池負電荷區域的沉積物。
這反過來又會減少枝晶的形成，從而防止過早衰變和短路。此外，在確保各層電絕緣的同時，為鋰離子擴散提供更便捷的途徑，有助於在電池循環過程中保持結構的物理和化學完整性。最重要的是，減少電極與電解液介面之間的應變可確保各層之間的適當連接，而這正是電池功能的重要組成部分。
ASEI 層的潛力與未來方向
看來最有潛力的策略是聚合物ASEI 層和無機-有機混合ASEI 層。聚合物層在設計上有足夠的可調節性，強度和彈性都很容易調節。聚合物層還具有與電解質相似的官能基，因此具有極高的兼容性；而這種兼容性正是其他元件所缺乏的主要方面之一。無機-有機混合層的最大優點是減少了層厚度，明顯改善了層內成分的分佈，從而提高了電池的整體性能。
ASEI 層的前景是光明的，但也需要一些改進。研究人員主要希望改善ASEI 層在金屬表面的附著力，從而全面提高電池的功能和壽命。其他需要注意的方面還有：層內結構和化學成分的穩定性，以及盡量減少層的厚度以提高金屬電極的能量密度。一旦這些問題得到解決，改良型鋰金屬電池的前路就會一片光明。
了解更多：