斯坦福锂金属电池的突破可能使电动汽车的续航里程增加一倍

斯坦福大学在锂金属电池技术方面的突破有望通过简单的休息协议延长电动汽车的续航里程和电池寿命，从而提高商业可行性。

下一代电动汽车可以使用锂金属电池运行，一次充电可行驶 500 至 700 英里，是当今电动汽车中传统锂离子电池续航里程的两倍。

但锂金属技术有严重的缺点：电池在相对较少的充电和放电周期后会迅速失去储存能量的能力——对于希望可充电电动汽车运行多年的司机来说，这是非常不切实际的。

科学家们一直在测试各种新材料和技术，以提高电池的循环寿命。 现在，斯坦福大学的研究人员发现了一种低成本的解决方案：只需将电池耗尽并让它休息几个小时。 今天（2月7日）发表在《自然》杂志上的一项研究描述了这种简单的方法，恢复了电池容量并提高了整体性能。

“我们正在寻找最简单、最便宜、最快捷的方法来延长锂金属的循环寿命，”该研究的共同主要作者、斯坦福大学材料科学与工程博士生张文博说。 “我们发现，通过将电池置于放电状态，可以恢复损失的容量并延长循环寿命。 只需重新编程电池管理软件即可实现这些改进，无需额外成本或更改设备、材料或生产流程。

该研究的结果可以为电动汽车制造商提供使锂金属技术适应实际驾驶条件的实用见解，资深作者、工程学院材料科学与工程创始人教授、斯坦福大学多尔可持续发展学院能源与工程教授崔毅说。

“锂金属电池一直是大量研究的主题，”崔说。 “我们的研究结果可以帮助指导未来的研究，这将有助于锂金属电池向广泛的商业适应发展。

锂金属与锂离子技术

传统的锂离子电池由两个电极组成——石墨阳极和锂金属氧化物阴极——由来回穿梭锂离子的液体或固体电解质隔开。

在锂金属电池中，石墨阳极被电镀锂金属取代，这使得它能够在相同的空间内存储两倍于锂离子电池的能量。 锂金属阳极的重量也比石墨阳极轻，石墨阳极对电动汽车很重要。 锂金属电池每磅至少可以容纳三分之一的能量，而不是锂离子。

“配备锂金属电池的汽车的续航里程是同等尺寸锂离子汽车的两倍 – 例如，每次充电600英里，而不是300英里，”共同主要作者，化学博士生Philaphon Sayavong说。 “在电动汽车中，目标是保持电池尽可能轻，同时延长车辆续航里程。”

将续航里程增加一倍可以消除不愿购买电动汽车的驾驶员的里程焦虑。 不幸的是，连续的充电和放电会导致锂金属电池迅速退化，使其在日常驾驶中毫无用处。 当电池放电时，微米级的锂金属碎片被隔离并被困在固体电解质界面 （SEI） 中，这是一种在阳极和电解质相遇处形成的海绵状基质。

“SEI基质本质上是分解的电解质，”Zhang解释说。 “它围绕着从阳极剥离的孤立的锂金属片，并防止它们参与任何电化学反应。 出于这个原因，我们认为孤立的锂已经死了。

反复充电和放电会导致额外的死锂积聚，导致电池迅速失去容量。 “配备最先进锂金属电池的电动汽车将比由锂离子电池供电的电动汽车以更快的速度失去续航里程，”张说。

出院和休息

在之前的工作中，Sayavong和他的同事们发现，当电池闲置时，SEI矩阵开始溶解。 基于这一发现，斯坦福大学的研究小组决定看看如果让电池在放电时休息会发生什么。

“第一步是将电池完全放电，这样流过它的电流就为零，”张说。 “放电从阳极剥离了所有金属锂，所以你只剩下被SEI矩阵包围的无活性的孤立锂碎片。”

下一步是让电池闲置。

“我们发现，如果电池在放电状态下静置一小时，围绕死锂的一些SEI矩阵就会溶解掉，”Sayavong说。 “因此，当你给电池充电时，没电的锂会与阳极重新连接，因为阻碍的固体质量更少。

与阳极重新连接可使死锂恢复生机，使电池能够产生更多能量并延长其循环寿命。

“以前，我们认为这种能量损失是不可逆转的，”崔说。 “但是我们的研究表明，我们可以通过休息放电的电池来恢复失去的容量。

使用延时视频显微镜，研究人员目视证实了残余SEI的崩解以及随后在静息阶段回收死锂。

实际应用

美国司机平均每天花大约一个小时在方向盘上，因此将汽车电池休息几个小时的想法是可行的。

一辆典型的电动汽车可能有 4,000 个电池排列在由电池管理系统控制的模块中，电池管理系统是一个监控和控制电池性能的电子大脑。 在锂金属电池中，可以对现有的管理系统进行编程，使其对单个模块完全放电，使其剩余容量为零。

Zhang补充说，这种方法不需要昂贵的新制造技术或材料。

“你可以像编写电池管理系统代码一样快地实现我们的协议，”他说。“我们相信，在某些类型的锂金属电池中，仅放电状态可以显着延长电动汽车的循环寿命。”