为了制造更好的电动汽车电池，美国能源部(DOE)布鲁克海文国家实验室的化学家使用电解质添加剂来改善高能量密度锂金属电池的功能。通过在分隔电池阳极和阴极的电解质中添加一种名为硝酸铯的化合物，研究团队显着提高了锂金属电池的充电速率，同时保持了较长的循环寿命。
该团队的新工作最近发表在《自然通讯》上，其目标是界面——电池阳极和阴极上形成的保护层。该层可防止电池电极退化，是制造可与锂离子电池一样充电和放电次数的锂金属电池的关键。
“我们希望提高当前最先进的锂金属电池的充电速率，”布鲁克海文化学部电化学储能组的研究员、新论文的第一作者MuhammadMominurRahman解释道。。“但我们还希望通过更具保护性的界面来稳定电池，以便它们的使用寿命更长。”
除了成功稳定电池之外，拉赫曼的电解液添加剂还以意想不到的方式改变了电池化学成分。
“Mominur的发现挑战了关于有效界面组成部分的传统观念，”布鲁克海文化学家兼电化学储能小组首席研究员EnyuanHu说。“我们很高兴看到这些发现如何为能源部专注于锂金属电池的主要工作做出贡献。”
迈向更大目标的一步
胡和他的团队正在与其他电池专家合作，作为Battery500联盟的一部分，该联盟是多个国家实验室和大学的合作项目。该联盟由美国能源部太平洋西北国家实验室领导，正在努力制造能量密度为每公斤500瓦时的电池——是当今最先进电池能量密度的两倍多。
这种能量密度无法在为当今大多数电池供电设备(包括电话、电视遥控器，甚至电动汽车)供电的锂离子电池中实现。因此，科学家需要转向锂金属电池来实现他们的目标。这些电池拥有锂金属阳极，而不是锂离子电池中的石墨阳极。
拉赫曼解释说：“锂金属电池很有吸引力，因为它的能量密度是石墨阳极电池的两倍。”“但还有很多挑战需要应对。”
Brookhaven的最新研究解决了其中一个挑战——在充电速度和循环寿命之间取得平衡。
通常能够实现电池快速充电的电解质也可能与锂金属阳极发生反应。如果这些化学反应不受控制地进行，电解质就会分解并缩短电池的循环寿命。为了防止这种情况发生，布鲁克海文的化学家着手设计界面。
先前的研究表明，锂金属阳极可以用铯添加剂来稳定。但为了提高充电速率同时保持电池循环寿命，阳极和阴极需要同时稳定。布鲁克海文的科学家相信硝酸铯可以用于锂金属电池的这一目的。正如他们所假设的，正铯离子积聚在电池带负电的锂金属阳极侧，而负硝酸根离子积聚在带正电的阴极上。
为了更好地了解硝酸铯添加剂如何影响电解质成分和电池性能，化学家将新电池带到国家同步加速器光源II(NSLS-II)，这是布鲁克海文实验室的美国能源部科学办公室用户设施。