盖世汽车讯 无阳极锂电池是一种新兴的电池架构，有望大幅提升能量密度并简化制造工艺。尽管这种设计有望实现更高的能量密度和更低的成本，但长期以来，由于不稳定的锂沉积和电极-电解质界面处的寄生反应，该方案一直饱受电池寿命短和安全隐患的困扰。据外媒报道，哥伦比亚大学工程学院（Columbia Engineering）的研究人员开发出一种新型凝胶电解质，能够提高无阳极锂电池的寿命和安全性。

图片来源：哥伦比亚大学工程学院

由哥伦比亚大学工程学院应用物理和应用数学副教授Yuan Yang领导的团队，通过重新思考聚合物电解质在纳米尺度上如何与锂离子相互作用，来应对挑战。

“疏盐”聚合物网络重塑离子溶剂化作用

研究人员设计了一种含有寄生性疏盐聚合物网络的凝胶聚合物电解质。这种结构克服了以往的挑战，它能够选择性地排斥锂盐，同时吸引溶剂分子。这种独特的化学差异能够自发地将电解质分割成具有不同局部成分的纳米级区域，从而有利于在锂表面形成高效的保护层。

Yuan Yang教授表示：“在这些受限区域内，锂离子被迫与阴离子而非溶剂分子形成更强的配位作用。这种富含阴离子的溶剂化环境从根本上改变了固体电解质界面层的形成方式。”

以往解决该问题的办法是使用大量的氟化电解质，而新方法则是将电解质直接掺入聚合物主链中。这使得研究人员能够开发出更小、更便宜、更高效的电池。

稳定锂-电解质界面

先进的光谱学、低温电子显微镜和分子模拟表明，这种疏盐网络促进了富含无机物的薄界面层的形成。该界面层能够实现更均匀、更致密的锂沉积，并抑制通常会消耗无阳极电池中活性锂的寄生反应。因此，采用新型凝胶电解质的无阳极软包电池在包括高面容量、低电解质含量和低外部压力（这些参数与实际电动汽车电池所需的参数非常接近）等在内的严苛条件下，经过数百次循环后仍能保持80%以上的容量。

增强极端条件下的安全性

除了延长电池寿命外，这种凝胶电解质还能提高热稳定性。在滥用测试中，配备这种新型电解质的多层无阳极软包电池经受住了剧烈钻孔而未发生热失控，而使用传统液态电解质的同类电池则发生了燃烧或爆炸。该研究的第一作者Shengyu Cong表示：“这些结果表明，聚合物化学可以成为控制溶剂化结构和界面稳定性的强大且尚未被充分开发的手段。”Yuan Yang教授说：“通过将安全性和耐久性直接融入电解质结构中，我们可以推动无阳极电池更快地走向实际应用。”

实用型高能量电池

这项研究提出了一种新的凝胶电解质设计原则，即利用聚合物主链化学来构建纳米级溶剂化环境，而不是依赖于极端的电解质配方。研究人员认为，这种策略不仅可以应用于锂电池，还可以应用于其他碱金属电池，从而为更安全、高能量密度的储能技术开辟新的途径。