低溫下性能良好的鋰金屬電池

鋰(Li)電池或鋰金屬電池使用金屬鋰作為陽極。在過去的幾十年中，可充電鋰電池已用于為各種電子設備供電，包括玩具，便攜式消費類設備和電動汽車。

盡管這些電池通常在室溫下可實現可靠的性能，但在低于-10°C的溫度下，它們的能量效率，功率和循環壽命往往會大大降低。不能在低溫下良好運行是一個關鍵缺陷，因為它極大地限制了它們在氣候特別寒冷的地區的使用。造成這種限制的主要原因是，在低于-10°C的溫度下，固體電解質中間相(SEI)變得不穩定，并導致電池中陽極的所謂的樹枝狀Li鍍層。

賓夕法尼亞州立大學和阿貢國家實驗室的一組研究人員最近推出了一種用于鋰金屬電池的新設計，可以克服這一有據可查的缺點。結果發現，與以前開發的鋰電池相比，這種電池在低溫下的性能非常好，該電池發表在《自然能源》上的論文中。

研究人員在論文中寫道：“我們報道了在低溫和高速率充電條件下的高性能鋰金屬電池。” “通過在集電器上使用自組裝的電化學活性分子單層來實現高性能，該分子可調節SEI的納米結構和組成以及Li金屬陽極的沉積形態。”

最初，研究人員仔細研究了低溫下的鋰金屬電池，以更好地了解影響其性能的因素。他們觀察到，在-15°C時，源自常規電解質的電池SEI高度結晶且不均勻。這極大地限制了諸如氟化鋰納米鹽之類的無源SEI組分的形成，從而導致了諸如不良的表面鈍化，Li腐蝕以及陽極上枝晶生長等不利特性。

在室溫下添加層來保護陽極，使用替代電解質或引入Li主體可以防止這些影響，但是在低溫下，控制SEI納米結構的挑戰性更大，導致電池運行不穩定。因此，研究人員設計了一種創建SEI的方法，該SEI在納米級是被動的，這又可以使鋰金屬陽極在低溫下穩定運行。