在過(guò)去的幾十年過(guò)程中，研究人員發(fā)現，用他們的方法制造出容量為2.0 mAh的鋰/ LiCoO2(含鋰二氧化鈷)電池，可在零下15攝氏度實(shí)現200次充放電循環(huán)，充滿(mǎn)電需要45分鐘。未來(lái)，此種設計策略可能會(huì )為新型節能鋰電池的發(fā)展鋪平道路，讓電池可以在溫度低于零下10攝氏度或零下15攝氏度的國家或地區可靠地工作。鋰電池，或者說(shuō)鋰金屬電池都采用鋰金屬為陽(yáng)極�？沙潆姷匿囯姵乇粡V泛采用，用于給玩具、便攜式消費設備和電動(dòng)汽車(chē)等各種電子設備供電。

但是，此類(lèi)電池通常在室溫下才能實(shí)現可靠性能，當溫度低于零下10攝氏度時(shí)，其能源效率、功率和循環(huán)壽命就會(huì )顯著(zhù)下降。在低溫下不能很好工作是此類(lèi)電池的一大缺點(diǎn)，極大地限制其用于特別寒冷的氣候地區。造成這一缺點(diǎn)的主要原因在于，在溫度低于零下10攝氏度時(shí)，固體電解質(zhì)間相(SEI)會(huì )變得不穩定，導致電池陽(yáng)極在鋰電鍍時(shí)出現樹(shù)突。

據外媒報道，美國賓夕法尼亞州立大學(xué)(Pennsylvania State University)和阿貢國家實(shí)驗室(Argonne National Laboratory)的一組研究人員最近研發(fā)了一種新型鋰金屬電池設計，可以克服上述缺點(diǎn)。研究人員發(fā)現，與之前研發(fā)鋰電池相比，新電池在低溫下的表現非常好。

最開(kāi)始，研究人員在低溫下仔細檢查了鋰金屬電池，以便更好地了解影響其性能的因素。他們觀(guān)察到，氣溫在零下15攝氏度時(shí)，電池的SEI(來(lái)源于傳統電解質(zhì))會(huì )結晶度很高且不均勻，從而極大地限制了氟化鋰納米鹽等被動(dòng)SEI成分的形成，導致表面鈍化不良、鋰腐蝕以及陽(yáng)極上生長(cháng)樹(shù)突。

在室溫下，添加其它層保護陽(yáng)極、利用替代性電解質(zhì)或引入鋰主電極可以防止此類(lèi)影響。但是在低溫下，控制SEI納米結構則更具挑戰性，會(huì )導致電池運行不穩定。因此，研究人員設計了一種納米級被動(dòng)SEI，可以讓鋰金屬陽(yáng)極在低溫下穩定運行。

研究人員提出，可通過(guò)在銅電流集電器表面組裝1、3苯二磺酰氟單分子層來(lái)控制SEI納米結構以及鋰電池中的鋰成核。新引入的電化學(xué)活性單分子層(EAM)改變了界面的化學(xué)環(huán)境，促進(jìn)鋰表面形成氟化鋰(LiF)。

通過(guò)改變電池界面的化學(xué)環(huán)境，研究人員新推出的設計策略改變了電解質(zhì)分解的途徑和動(dòng)態(tài)情況，進(jìn)而導致鈍化質(zhì)量得到提升、不同SEI的產(chǎn)生。更具體地說(shuō)，該單分子層在銅電流集電器上形成了親鋰陰離子。當該界面的鋰離子濃度較低時(shí)，可以引導鋰成核和生長(cháng)。

在低溫情況下，此種設計策略導致多層SEI形成，此種多層的SEI由富含氟化鋰的內相和非晶態(tài)外層組成。此外，此種被動(dòng)多層SEI與傳統鋰金屬電池中的非被動(dòng)SEI有很大的不同，傳統鋰金屬的SEI層在低溫時(shí)，結晶度很高，是以L(fǎng)i2CO3為主的結構。

在測試中，研究人員采用新設計測量打造的新電池，發(fā)現在低溫下也實(shí)現了很好的性能。更具體地說(shuō)，此種方法成功地抑制了鋰的電偶腐蝕以及自放電，讓鋰在零下60攝氏度至45攝氏度的所有溫度下都可穩定沉積。