低温下性能良好的锂金属电池

锂的成核和生长受研究人员电池设计中EAM Cu的调节。

锂（Li）电池或锂金属电池使用金属锂作为阳极。在过去的几十年中，可充电锂电池已用于为各种电子设备供电，包括玩具，便携式消费类设备和电动汽车。

尽管这些电池通常在室温下可实现可靠的性能，但在低于-10°C的温度下，它们的能量效率，功率和循环寿命会明显下降。不能在低温下良好运行是一个关键缺陷，因为它极大地限制了它们在气候特别寒冷的地区的使用。造成这种限制的主要原因是，在低于-10°C的温度下，固体电解质中间相（SEI）变得不稳定，并导致电池中阳极的所谓的树枝状Li镀层。

宾夕法尼亚州立大学和阿贡国家实验室的一组研究人员最近推出了一种新的锂金属电池设计，可以克服这一有据可查的缺点。所得到的电池，在发表在一份文件中提出的自然能源，被发现在以前相比，开发的锂电池低温下进行得非常好。

研究人员在论文中写道：“我们报道了在低温和高速率充电条件下的高性能锂金属电池。” “通过在集电器上使用自组装的电化学活性分子单层来实现高性能，该分子可调节SEI的纳米结构和组成以及Li金属阳极的沉积形态。”

最初，研究人员仔细研究了低温下的锂金属电池，以便更好地了解影响其性能的因素。他们观察到，在-15°C时，源自常规电解质的电池SEI高度结晶且不均匀。这极大地限制了诸如氟化锂纳米盐之类的无源SEI组分的形成，从而导致了诸如不良的表面钝化，Li腐蚀以及阳极上枝晶生长等不利特性。

在室温下添加层来保护阳极，使用替代电解质或引入Li主体可以防止这些影响，但是在低温下，控制SEI纳米结构的挑战性更大，导致电池运行不稳定。因此，研究人员设计了一种创建SEI的方法，该SEI在纳米级是被动的，这又可以使锂金属阳极在低温下稳定运行。

他们的论文中提出的方法需要使用组装在铜集流体表面上的单层1,3-苯二磺酰氟来调节锂电池中的SEI纳米结构和锂成核。这种新引入的电化学活性单层（EAM）改变了界面中的化学环境，促使在Li表面形成了氟化锂（LiF）核。

通过改变电池的界面化学环境，研究人员提出的新设计策略改变了电解质分解的途径和动力学，进而导致生产出具有更高钝化质量的不同SEI。更具体地，单层在Cu集电器上形成了一个亲硫阴离子（即苯亚磺酸盐），当界面中的Li离子浓度较低时，它可以引导Li的成核和生长。

在低温下，这种设计策略导致形成多层SEI，该多层SEI由富LiF的内相和非晶态的外层组成。这种无源的多层SEI与传统的Li金属电池中观察到的非无源SEI有很大不同，传统的Li金属电池的特点是在低温下具有高结晶度和以Li 2 CO 3为主的结构。

在测试中，他们使用新的设计策略制造的电池在低温下取得了非凡的效果。更具体地说，他们的方法成功地抑制了电化锂的腐蚀和自放电，从而使锂在-60至45°C的所有温度下都能稳定沉积。

研究人员发现 使用他们的方法制造的容量为2.0 mAh cm- 2的 LiCoO 2电池在-15°C时可获得200个循环的寿命，充电时间为45分钟。将来，他们引入的设计可能会为新型节能锂电池的生产铺平道路，这些锂电池可以在温度降至-10或-15°C以下的国家或地区可靠运行。

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