可充电锂电池已被大规模使用

在过去的几十年中，研究人员发现，使用他们的方法生产容量为2.0 mAh的锂/ LiCoO2（含二氧化钴锂）电池，可以在负15摄氏度下实现200次充放电循环，充满电需要45分钟。将来，这种设计策略可能会为新型节能锂电池的开发铺平道路，从而使该电池能够在温度低于-10摄氏度或-15摄氏度以下的国家或地区可靠地工作。
锂电池或锂金属电池使用锂金属作为阳极。可充电锂电池广泛用于为各种电子设备（例如玩具，便携式消费类设备和电动汽车）供电。
但是，这种电池只能在室温下获得可靠的性能。当温度低于负10摄氏度时，其能量效率，功率和循环寿命将大大降低。
这种电池不能在低温下正常工作是这种电池的主要缺点，这极大地限制了其在气候特别寒冷的地区的使用。造成此缺点的主要原因是，当温度低于负10摄氏度时，固体电解质中间相（SEI）将变得不稳定，从而导致在电镀锂过程中电池阳极上出现树枝状晶体。
据国外媒体报道，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开发了一种新型的锂金属电池设计，可以克服上述缺点。研究人员发现，与以前开发的锂电池相比，新电池在低温下表现非常出色。
最初，研究人员仔细检查了低温下的锂金属电池，以更好地了解影响其性能的因素。他们观察到，当温度低于摄氏15度时，电池的SEI（源自传统电解质）将具有较高的结晶度和不均匀度，这极大地限制了无源SEI成分（如氟化锂纳米盐）的形成，从而导致表面钝化不良，锂腐蚀以及阳极上枝晶的生长。
在室温下，添加其他层以保护阳极，使用替代电解质或引入锂主电极可以防止此类影响。然而，在低温下，控制SEI纳米结构更具挑战性，并且可能导致电池运行不稳定。
因此，研究人员设计了一种纳米级无源SEI，可让锂金属阳极在低温下稳定运行。研究人员提出，可以通过在铜集流体表面上组装单层1,3-苯二磺酰氟来控制锂电池中的SEI纳米结构和锂成核。
新引入的电化学活性单层（EAM）改变了界面的化学环境，并促进了锂表面上氟化锂（LiF）的形成。通过改变电池界面的化学环境，研究人员提出的新设计策略改变了电解质分解的方式和动力学，进而导致钝化质量的提高和不同SEI的生产。
更具体地，单层在铜集流体上形成亲锂阴离子。当界面处的锂离子浓度低时，可以指导锂的成核和生长。
在低温下，这种设计策略导致形成多层SEI，该多层SEI由富含氟化锂的内相和无定形的外层组成。此外，该无源多层SEI与传统锂金属电池中的无源SEI有很大不同。
传统锂金属的SEI层在低温下具有高结晶度，并基于Li2CO3。在测试中，研究人员使用新设计测量了新电池，发现它在低温下也具有良好的性能。
更具体地，该方法成功地抑制了锂的电腐蚀和自放电，从而使锂能够在从负60摄氏度到45摄氏度的所有温度下稳定地沉积。