韩国科研团队近期报告了一项重大进展，该突破有望大幅提升电动汽车续航里程并缓解低温性能焦虑。这项研究详细阐述了一种无阳极锂金属电池，可在不增加电池体积的情况下，将能量密度提升近一倍。
这一突破由浦项科技大学、韩国科学技术院和庆尚大学的科学家共同实现，可能会重塑未来电动汽车电池的设计方式。
相同空间，能量密度创纪录
由浦项科技大学Soojin Park教授和Dong-Yeob Han博士领导的联合团队，实现了1270 Wh/L的体积能量密度。这一数值几乎是当前电动汽车所用锂离子电池（约650 Wh/L）的两倍。
体积能量密度至关重要，因为它决定了在固定电池体积内能存储多少能量，这是车辆设计中的一个关键限制因素。
研究人员通过采用无阳极锂金属电池架构实现了这一里程碑。在这种设计中，传统的石墨阳极被完全移除。取而代之的是，存储在阴极的锂离子在充电时迁移，并直接沉积在铜集流体上。
展开剩余63%取消阳极释放了内部空间，使得更多活性材料能够被装入相同体积。这一概念类似于在不增大油箱尺寸的情况下装入更多燃料。
为何无阳极电池难以制造
尽管前景广阔，无阳极锂金属电池长期以来一直面临重大的技术障碍。最大的问题之一是充电过程中锂的不均匀沉积。当锂不规则地沉积时，会形成枝晶——尖锐的针状结构，可能刺穿内部隔膜并引发短路。
电池退化是另一个问题。反复的充放电会损害锂表面，降低效率并迅速缩短电池寿命。这些问题使得在实际系统中很难将高能量密度、长循环寿命和安全性结合起来。
稳定与控制的组合方案
为了克服这些限制，该团队开发了一种组合方案，使用可逆主体和定制电解质。可逆主体是一种嵌入了均匀分布银纳米颗粒的聚合物框架。这些颗粒引导锂沉积在特定位置，促进均匀生长而非随机堆积。该结构有效地为充电过程中的锂沉积提供了预设位置。
定制电解质增加了另一层保护。它在锂金属表面形成了由Li₂O和Li₃N组成的稳定界面层。该层抑制了枝晶的形成，同时仍允许锂离子高效移动。二者共同作用，稳定了锂沉积过程，并在电池反复运行中提供保护。
性能结果与行业关联
在可逆主体和定制电解质的协同作用下，电池在苛刻条件下表现出强劲性能。在4.6 mAh cm⁻²的高面积容量和2.3 mA cm⁻²的电流密度下，该电池在100次循环后仍保持其初始容量的81.9%。其平均库伦效率也达到了99.6%。这些结果共同促成了1270 Wh/L的创纪录体积能量密度。
关键的是，该团队在更接近电动汽车所用电池的软包电池中验证了该系统。即使电解质含量非常低且堆叠压力很小，也能实现稳定运行。这预示着电池将更轻、制造更简单且商业可行性更高。
Park教授指出："这项工作同时解决了无阳极锂金属电池的效率和使用寿命问题，代表了一个有意义的突破。"
该研究的另一位研究者补充道："我们的研究表明，基于商用溶剂的电解质设计可以同时实现高锂离子迁移率和界面稳定性。"
这项研究已发表在《先进材料》期刊上。
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