加州大学圣地亚哥分校的纳米工程师们提出了在超低温下性能良好的锂金属电池的新见解；主要是电解质对锂离子的吸附力越弱越好。通过使用这种弱结合的电解液，研究人员开发了一种锂金属电池，可以在低至-60摄氏度的温度下反复充电，这在该领域尚属首次。
研究人员在2月25日发表在《自然能源》上的一篇论文中报告了他们的工作。
在测试中，概念验证电池在-40摄氏度和-60摄氏度的温度下，分别在50次循环中保持了84%和76%的容量。研究人员说，这样的表现是前所未有的。
其他的锂电池已经被开发用于亚冰点温度下，能够在寒冷中放电，但充电时需要温暖。这意味着，为了在诸如外层空间和深海探测等应用中使用这些电池，必须携带一个额外的加热器。另一方面，新电池可以在超低温下充电和放电。
这项工作是加州大学圣地亚哥分校纳米工程教授刘平、陈峥和托德·帕斯卡的实验室合作完成的，为改善锂金属电池的超低温性能提供了一种新的途径。到目前为止，许多研究都集中在选择不易冻结的电解质，并能保持锂离子在电极之间快速移动。在这项研究中，加州大学圣地亚哥分校的研究人员发现，不一定是电解液移动离子的速度有多快，而是电解液释放离子并将其沉积在阳极上的容易程度。
“我们发现锂离子和电解液之间的结合，以及离子在电解液中的结构，决定了这些电池在低温下的生死。”第一作者、加州大学圣地亚哥雅各布斯工程学院纳米工程博士生约翰·霍洛贝克说。
研究人员通过比较两种电解质的电池性能得出了这些发现：一种与锂离子结合较弱，另一种与锂离子结合较强。含弱结合电解质的锂金属电池在-60摄氏度时整体表现较好，50次循环后仍能保持强劲运行。相反，具有强结合电解质的电池在仅仅两个周期后就停止工作。
循环电池后，研究人员将它们分开，比较阳极上的锂金属沉积物。两者的区别也很明显，在弱结合电解质的细胞中，沉积物光滑均匀，而在强结合电解质的细胞中，沉积物呈块状和针状。
细节很重要
研究人员说：“电池性能的差异都归结为纳米尺度的相互作用。锂离子如何在原子水平上与电解液相互作用，不仅可以在非常非常低的温度下实现可持续循环，而且可以防止枝晶的形成。”
为了了解原因，研究小组利用计算模拟和光谱分析详细研究了这些相互作用。在其中一种被称为二乙醚（DEE）的电解质中，研究人员观察到锂离子与周围电解质分子弱结合的分子结构。在另一种被称为DOL/DME的电解质中，研究人员观察到了离子和电解质分子之间具有强结合的结构。
研究人员说，这些结构和结合强度很重要，因为它们最终决定了锂在低温下如何沉积在阳极表面。Holoubek解释说，在DEE电解液中观察到的弱束缚结构中，锂离子很容易离开电解液，因此不需要太多的能量就可以使它们沉积在阳极表面的任何地方，这就是为什么DEE中的沉积物平滑而均匀。但在强束缚结构中，如DOL/DME中的结构，需要更多的能量将锂离子从电解质中拉出。因此，锂更倾向于沉积在阳极表面有极强电场的地方，任何有尖头的地方。锂会继续堆积在尖端直到电池短路，这就是为什么DOL/DME中的沉积物是块状和树枝状的。
“弄清楚锂形成的不同类型的分子和原子结构，锂如何与某些原子协调这些细节很重要。”指导计算研究的帕斯卡说，通过从根本上理解这些系统是如何结合在一起的，我们可以为下一代储能系统提出各种新的设计原则。这项工作展示了纳米工程的威力，在纳米工程中，搞清楚小尺度下发生了什么，就可以在大尺度上设计器件。
兼容阴极
这些基本的见解使研究小组能够设计出一种阴极，这种阴极与电解质和阳极相兼容，具有低温性能。它是一种硫基阴极，由低成本、丰富和环境友好的材料制成，不使用昂贵的过渡金属。
这项工作的意义是双重的，刘说，他的实验室设计了阴极，并一直在优化这种阴极在DEE正常条件下的循环性能科学地说，它提出了与传统观点相反的见解。从技术上讲，它是第一款可充锂金属电池，能够在-60℃下完全运行时提供有意义的能量密度。这两方面都为超低温电池提供了一个完整的解决方案。