01佳荣网配
改造液态锂金属电池
传统锂离子电池的能量密度已逼近理论极限，目前业内追求的主流路线是更高能量密度的固态锂金属电池，即以金属锂作为负极材料，使用固态电解质替代传统液态电解液。但其实还有一种选择，那就是在现有的液态锂金属体系中，直接将负极换成金属锂，成为“液态锂金属电池”。
但这个设想之所以一直没有成型，是因为液态锂金属电池的负极会变得非常不稳定。金属锂会和电解液产生各种剧烈副反应，形成不稳定固态电解质界面膜（SEI），进而快速滋生锂枝晶，引发漏液短路等问题。
在实验中，液态电池锂金属作为负极，往往会导致电池容量迅速衰减，用户的安全性也没有任何保障，石墨则被视为液态锂电池负极的最稳选择，长期成为主流。至于固态电池，它根本没有SEI的存在，也不用担心锂枝晶会导致电解液泄漏。
但在不久前，上海空间电源研究所联合华中科技大学、浙江大学组成国家队，用一项航天级技术改写了游戏规则。研究团队在《自然（Nature）》期刊上在线刊发了题为《液-液界面张力稳定的锂金属电池》的研究论文，为实现锂电池高能量密度下的高稳定和高安全提炼出了新思路。
这里简单介绍一下，上海空间电源研究所隶属于集团八院，是我国空间电源系统的核心研制机构。从天宫空间站核心舱的太阳能电池板，到嫦娥五号月球采样器的供电系统，再到 风云系列气象卫星的电源控制器，均出自其手，而这些航天器对电池的要求都极为苛刻。
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顾此失彼的电解液
锂金属负极的理论容量高达3860mAh/g（毫安时每克），是石墨负极的10倍，如搭配高镍三元正极，能量密度能轻松突破500Wh/kg（瓦时每千克）大关——这意味着手机可三天一充，电动汽车续航直逼1000公里。
好处说完了佳荣网配，具体要怎么实现呢？
电解液作为连接电池正负极的关键组分，其优化设计对破解锂金属电池的高能量密度、高稳定和高安全这“不可能三角”至关重要。所以研究团队提出了一种基于液-液界面张力的界面调控新策略，发明了一类新型的“微乳电解液”，成功将溶解性较差的功能性溶剂引入至电解液体系。
简单来说，新型电解液实现了离子传输和界面保护机制的解耦。
前面提到，在锂电池第一次充放电时，电解液会在负极表面形成SEI，同时也会在负极表面形成界面膜（CEI）。CEI同样很脆弱，但它和SEI一样，起到一个“过滤网”作用，只让锂离子进入正、负极。
锂电池工程师在设计电池时都需要考虑两个问题，一是锂离子怎么才能跑得更快，二是在正负极形成的界面膜的保护效果如何。但这两个问题对于传统电解液设计来说，往往是顾此失彼的两级，比如两者对电解液浓度的要求就不一样，最终的选择一般都是各有取舍。
不过现在，研究团队发现，锂离子的传输和界面膜的形成，两者其实是可以分开进行的。
03
用物理机制来解决
该技术的核心是通过物理机制而非传统电化学驱动，来实现电解液中功能组分的“自动导航”。
简单来说，研究团队设计的电解液学名叫“非均相微乳电解液 ”，其核心结构类似水油混合，也就是说电解液中的某物质是不相融的。
水滴在油中会自动聚拢形成一个“小包裹”浮到表面，在这种微乳电解液中也有类似的反应，如果我们把电解液中的氟化物添加剂看作是纳米级小胶囊，那就比较好理解了。
由于这些小胶囊表面的特殊张力，会使小胶囊自发向正负极界面迁移，不受电场方向或离子浓度梯度束缚；然后优先分解，产生一系列反应，形成正负极界面膜。小胶囊作为“氟化物仓库”，循环中可以持续补充消耗的氟，从而实现界面膜的自修复。
那么剩下的电解液自然就可以针对“怎么提升锂离子迁移效率”这一问题好好设计，而不必担心界面膜的问题。同样，这个策略也可以扩展至钠金属、钾金属等其他金属电池体系，用以解决多价金属电池的界面沉积难题。
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编辑｜张毅
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