佛羅里達州立大學和康奈爾大學一個研究小組發現，由廉價而安全的部件製成的電池，其電池能效是目前最先進鋰離子電池的三到四倍，其研究發表在《自然通訊》上。法姆-佛羅里達州立大學工程學院的博士後研究員Nijamudheen和康奈爾大學的博士生Snehashis Choudhury，以及這兩所大學的教職員工，開始了一項雄心勃勃的研究，研究是什麼阻礙了目前的電池設計，以及如何改進它。
如果我們看一下電池成本隨時間的變化，就會發現這個矢量一直在上升，這並不奇怪，廣泛採用電池技術需要更低的成本。為了降低這些成本，研究人員解決了幾個與電解質有關的具體問題。電解質是電池結構的關鍵部分，可以促使離子從一個電極向另一個電極的移動。研究小組開始研究電解質在電池電極上降解的化學過程，研究人員不僅發現了電解質降解的機制，還發現了多種解決方法，發現控制負極形成的相間離子特性是關鍵。
通過量子計算，Nijamudheen和導師，fsu化學工程助理教授Jose menza - cortes發現，這個問題源於電解液中一種叫做二甘醇成分發生聚合的方式。聚合是一種分子通過化學結合產生一種叫做聚合物的長鏈狀分子過程。就電池而言，電解質在與電池的正極和負極長時間接觸後，常常會分裂並重新形成更大的分子。
康奈爾大學(Cornell University)教授、喬杜裡的顧問林登·阿徹(Lynden Archer)說：雖然降解過程本身是無害的，但副產品會阻止離子進入電池電極，隨著時間的推移，這會減少電池所能儲存的能量。然而，儘管這一過程產生的某些聚合物會阻止離子到達電極，但其他聚合物已被證明在延長電池壽命方面有效。
在掌握了聚合計算之後，研究人員開始研究聚合過程不會影響電池性能的其他類型電解質。通常，鋰電池是由有機碳酸鹽電解質製成，但這些電解質高度易燃。因此，為降低熱失控和電池火災風險，必須使用昂貴的熱調節基礎設施來提供過熱電池單元的冷卻。相反，研究人員測試了一種不易燃的穩定電解質鋰硝酸鹽電解質。利用這種電解質，研究人員開始在固態電解質間相(SEI)上進行實驗。
SEI是由於電解液分解而形成的一層保護層，通常在電池的第一個週期。法姆-佛羅里達大學工程學院的助理教授門多薩-科爾特斯說：一旦有了一個好的SEI，就有了一個好的電池，研究的想法是找到一種電解質和溶劑，可以形成一種穩定的SEI。研究人員利用犧牲鹽或通過電解質引入的分子物種，在電池中自然形成一種新型SEI。還引入了鏈轉移劑(一串分子)，與二甘醇相互作用，形成一個屏蔽層，保護帶負電荷的電極不被降解。
為了評估設計的有效性，研究團隊對電池的使用能力進行了一系列的實驗，然後再充電。發現，這種電池可以循環大約2000次，遠高於傳統的300到500次充電，而傳統充電週期與大多數鋰離子電池有關。通過這個過程，可以獲得這種系統前所未有的效率，研究改進了SEI。這將意味著更持久的電力供應，有很大的潛力。
博科園｜研究/來自：佛羅里達州立大學
參考期刊《自然通訊》
DOI: 10.1038/s41467-019-11015-0
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