盖世汽车讯 据外媒报道，韩国科学技术院（KAIST）的科学家们找到了一种方法，能够解决“无负极电池”的一大缺陷，有望使电动汽车（EV）电池变得更小、更轻，并能实现更长的单次充电续航里程。这类电池省去了石墨等传统材料，从而减小了电池的体积和重量。尽管它们能在更小的空间内储存更多能量，但由于在充电过程中会形成尖锐的锂结构，其使用寿命往往受到限制。研究人员通过借鉴半导体行业的精密制造技术解决了这一难题，使锂能够更均匀地沉积，同时促进形成一层耐用的保护层。

图片来源：KAIST

韩国科学技术院宣布，由该校化学与生物分子工程系的Jinwoo Lee教授和Hee-Tae Jung教授所领导的联合研究团队取得了重大突破。参与该项目的还有来自庆北国立大学（Kyungpook National University）和韩国国家纳米制造中心（National NanoFab Center）的科研人员。

无负极电池为何有望彻底改变电动汽车

在传统的锂离子电池中，充电时锂会被储存在由石墨等材料制成的负极内。无负极电池的工作原理则有所不同：它们无需独立的负极材料，而是让锂直接沉积在一层薄铜箔上。

省去传统负极，意味着减少了原本会增加电池整体重量和厚度的材料。这使得在相同空间内能够储存更多能量，从而让电动汽车在无需配备更大、更重电池组的情况下，实现更长的续航里程。

然而，这种极具前景的设计存在一个严重缺陷。在电池反复充放电的过程中，锂并不能始终均匀地分布在铜表面，而是会聚集成树枝状或针状的结构，即“枝晶”。

这些结构会干扰电池性能，同时包裹锂的保护层也可能变得不稳定。这些问题共同导致电池性能加速衰退，使得“寿命有限”成为阻碍无负极电池实现大规模商业应用的最大障碍之一。

此前，人们曾尝试通过多种方式解决这一问题，例如补充额外的锂以抵消运行过程中的损耗，或者在电极表面覆盖更厚的保护涂层。尽管这些方法有助于补偿性能衰退或保护电极表面，但它们也引入了额外的材料。由此增加的厚度和重量，削弱了无负极电池技术的核心优势。

借鉴半导体技术，抑制锂枝晶生长

由KAIST领导的研究团队并未采取添加大量材料的策略，而是着眼于改变锂沉积处——铜箔——的结构。

研究人员在铜表面构建了一种精心排列的微管阵列。这一构思类似于将一个大型停车场划分为多个独立的停车位：它避免了锂在局部区域的不均匀堆积，通过这些微小结构，使锂能够更均匀地分布在各个沉积点上。

为了实现这种结构，研究团队采用了一种名为“二次溅射光刻”（Secondary Sputtering Lithography，简称 SSL）的半导体制造技术。该工艺能够以极高的精度制造出极其微小的结构。

每个管状结构的直径约为300纳米，高度约为150纳米。尽管尺寸极小，但这些结构使铜箔上可用于锂沉积的表面积增加到了普通平整铜箔的约四倍。

这种扩大的表面积有助于使锂分布得更加均匀，从而减少了可能导致有害突起形成的局部过度堆积。该方法在无需大量额外材料的情况下，改善了锂稳定沉积的条件。

超薄保护涂层有助于延长电池寿命

研究人员更进一步，在铜箔上涂覆了一层二维材料——MXene。该涂层厚度约为10纳米，仅相当于人发厚度的几千分之一。

MXene并非充当电池的最终保护屏障，而是起到了一种“基底”的作用，促使电池在运行过程中形成更稳固的保护层。这就像底漆能为后续涂装做好准备一样，MXene有助于汇集形成稳定涂层所需的各种成分。

在实验所用的基于六氟磷酸锂（LiPF6）的电解液中，MXene表面能够促进形成一层含有高浓度氟化锂（LiF）的保护层。

该层有助于抑制锂与电解质之间不必要的化学反应，同时限制有害锂枝晶的生长。通过稳定电极表面，它解决了导致无负极电池性能衰退的两个关键因素。

为了探究这一保护层的形成机制，科学家们在严格限制其与空气接触的前提下，对电极表面及内部横截面进行了观察分析。研究证实，一层纳米级的保护层在MXene表面均匀形成，并揭示了其形成过程。

此项研究采用了多种先进的分析手段，包括X射线光电子能谱（XPS）、飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）以及透射电子显微镜（TEM）。

迈向更小巧、更持久电动汽车电池的一大进步

Jinwoo Lee教授表示：“这项研究表明，半导体制造中采用的超精细加工技术，能够在无需改变电解质配方或添加过量锂的情况下，既构建出均匀的锂沉积位点，又形成一层稳定的保护层。”

他还解释说，这些研究成果有助于加速高能量密度“无负极”电池的商业化进程。该技术在延长电池寿命的同时，将额外增加的重量和体积降至最低，从而能够助力开发出更紧凑的储能系统，应用于未来的电动汽车。