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红线为超浓缩电解液锂电池，黑线为现有商业化电池。图片来源：Nature Communication 锂离子电池在移动便携式储能领域的成功，为电动汽车的发展做出了巨大的贡献。要想使电动汽车单次充电后的行驶距离进一步提高，主流的锂离子电池仍然面临着不小的挑战。目前，科学家们认为开发5伏级高电压锂离子电池是关键一环。 在最近的一项研究中，研究人员开发出基于超浓缩电解液的5伏级高电压锂电池。在100次充放电以后仍然保持90%的电量，而在传统高压锂电池中，这个数字是50%。 这篇发表于《自然·通讯》（Nature Communication）上最近一期的报告中，来自东京大学的中国学者王建辉和化学系的教授山田淳夫为该论文的通讯作者。其他的合作科研人员来自京都大学，日本科学技術振兴机构和日本国家材料学会。 山田淳夫认为使用超浓缩电解液的5伏电池拥有比4伏电池更高的能量密度，电池的体积更小和重量更轻，无形中减少了电动车的行驶负担。 “一般驱动电动车行驶的电压达到几百伏电压，这需要多个电池单元串联组成电池组。使用高电压的电池单元就意味着所需的电池数量会减少。”山田解释说。 通常来说，高电压锂电池的面临着一个两难的选择。稳定的电解液（盐溶液）可以阻止电池过渡金属电极的溶解，但是往往会加速电池集流体的溶解（集流体指汇集电流的结构或零件，在锂离子电池上主要指的是金属箔，如铝箔、铜箔）。与此同时，不稳定的电解液（如广泛使用的LiPF6）则恰恰相反。无论选择哪种电解液，溶解现象都会造成电池容量的下降。 三种电解液中的分子结构和平衡态运动轨迹。左：稀；中：浓缩；右：超浓缩。超浓缩电解液中形成了一种强化的立体结构，能够阻止阴离子（-）与集流体中的铝离子（+）结合，从而保护集流体不受溶解。图片来源：Wang et al.Nature Communication 在这篇最新的论文中，研究人员将稳定的LiN[SO2F]2 盐溶液加进溶剂以1：1.1比例配置混合电解液。通常情况下，1：2的溶液仍然会出现金属铝的溶解和电池损耗。超浓缩电解液的神奇效果来源于溶液内部不寻常的3D结构。 高浓度的溶液拥有研究人员称之为“强化3D”的网状结构；不像在稀溶液中，每一个溶质都被溶剂分离成很小的一部分。这种网状结构的特点是能够吸引溶液中带负电的原子和离子，原本应该去溶解集流体中金属铝的阴离子和锂离子形成更强的配合作用。尽管会有一些阴离子脱离锂离子，他们也很难穿过层层网状结构去和集流体中的铝发生反应。 因此，超浓缩电解液在5 V电压条件下有效地阻止了过渡金属和铝的溶解，表现了电池耐久性能。 此外，得益于极低的有机溶剂含量，新电解液拥有相对稀电解液更好的热稳定性。因为有机溶剂往往存在易燃易挥发的安全隐患。 超浓缩电解液一大缺点就是成本略高，然而日本的科研人员们认为这不会成为它投入生产应用的阻碍。山田说道：“目前大规模生产LiN(SO2F)2 的项目已经启动，低成本超浓缩电解液不会让我们等太久。此外，电解液成本仅占锂离子电池全部成本的不到7%。” 接下来，他们还将继续研究提高电池性能的各种方法（锂离子电池的能量密度和功率密度仍是关注的重点）；同时更好的理解超浓缩电解液中的化学机理，寻找超浓缩电解液有别于传统电解液的特征，探索更加丰富的应用前景。 参考：Nature Communications. DOI: 10.1038/ncomms12032 |
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