从电动汽车到智能手机再到笔记本电脑，如今的锂离子电池在维持现代世界运转方面做得非常出色，但科学家们认为，通过对其结构的微调还可以释放出很多潜力。更有希望的可能性之一是用纯锂金属替换电池电极中的石墨，这种材料可以容纳10倍的能量。
从电动汽车到智能手机再到笔记本电脑，如今的锂离子电池在维持现代世界运转方面做得非常出色，但科学家们认为，通过对其结构的微调还可以释放出很多潜力。更有希望的可能性之一是用纯锂金属替换电池电极中的石墨，这种材料可以容纳10倍的能量。
因此，金属锂被一些电池研究人员誉为“梦想材料”，很可能帮助我们突破能量存储的关键瓶颈，但稳定性问题迄今一直困扰着这项技术。这在很大程度上跟携带锂离子的电解质溶液和电池的两个电极之间的不良反应有关。
在众多致力于解决这一问题的研究团队中，有一个来自卡尔斯鲁厄理工学院和乌尔姆亥姆霍兹学院的团队，他们提出的设计在很大程度上回避了这一问题。研究人员从一种被称为贫钴富镍层状阴极(NCM88)和一种商业可用的有机电解质LP30开始。当阴极达到高能量密度时，不稳定性很快就出现了，并且随着电池的循环，存储容量下降。
“在电解液LP30中，粒子会在阴极上裂开，”HIU主任Stefano Passerini教授说道，“在这些裂缝中，电解液会发生反应、破坏结构。此外，阳极上还会形成一层厚厚的苔藓状锂层。”
因此，该团队将LP30电解质换成了另一种电解质，这种电解质极大地提高了性能。被描述为一种不挥发、极易燃的双阴离子离子液体电解质(ILE)，这种成分被证明在很大程度上避免了阴极上的结构缺陷并能让电池免于致命的电化学反应。
Guk-Tae Kim博士指出：“在ILE的帮助下，富镍阴极上的结构修饰可以被显著减少。”
据了解，这种结构的锂金属电池的能量密度为560 Wh/kg。为了给下一代电动汽车提供动力，一些研究联盟致力于突破500 Wh/kg的能量密度门槛，而目前最好的锂离子电池的能量密度为250至300 Wh/kg。
今年早些时候，曾经有一款锂金属电池创造了纪录，其能量密度为350 Wh/kg，在600次循环后仍能保持76%的容量。在寿命方面，新锂金属电池设计也表现得非常出色，其在阴极材料中初始存储容量有214 mAh/g，在1000次循环中保持88%的容量。
新型锂金属电池被证明非常有能力的另一个领域是它的库仑效率，这涉及锂离子在阳极和阴极之间转移的效率。为100个锂离子充电，放电后再回收100个锂离子，其库仑效率将达到100%，而商用电池至少需要99.9%的效率才可行。这种新型锂金属电池的发明者称其平均库仑效率可以达到99.94%。
要将这些在实验室规模的电池上有希望的结果转化为现实世界显然还有很多工作要做，但一种提供如此高能量密度的稳定电池可能会改变电力运输的游戏规则。比如电动飞机受到当今电池能量密度的严重限制，因此只能飞行相对较短的距离。电动汽车的续航里程有限可以通过扩大充电基础设施来解决，但这种电池的高能量重量比可以让它们行驶很远的距离并在很大程度上缓解潜在买家的续航里程焦虑。
