科技日报记者 刘园园
记者3月19日从西湖大学获悉，该校工学院特聘研究员王建辉团队研制的穿梭耦合电解液，成功实现锂金属高度同步的平面沉积与溶解，突破了无负极锂金属电池循环寿命短的核心瓶颈。
“无负极锂金属电池，不是指电池没有负极，而是特指制造电池时舍弃任何负极活性材料，仅保留一块铜箔作为负极的集流体。”王建辉介绍，无负极锂金属电池具有高能量密度、低成本、易组装的优势，但循环寿命极短的缺陷使其长期停留在实验室研究阶段。
此外，无负极锂金属电池在充电时，锂离子容易在负极表面不均匀地沉积，像长树枝一样，堆出杂乱无章的“枝晶”。“枝晶”可能刺穿正负极之间的隔膜，引发电池短路起火；其与电解液发生副反应，会消耗本就有限的锂；“枝晶”从根部断裂，会变成无法再参与充放电的“死锂”。
针对这些难题，王建辉团队展开了持续研究。2020年，该研究第一作者、团队成员刘磊发现一类含酰胺基团的溶剂表现突出。用它配成的电解液在纽扣电池中测试时，锂金属的沉积/溶解效率显著高于对照组，还能支持高电压锂金属电池稳定循环。
以此为突破点，研究团队经反复优化研制出穿梭耦合电解液，并在更贴近实际应用的软包电池中完成验证。这种电解液能让锂离子在铜箔表面实现高度可逆的平面沉积与溶解，从根源上避免“枝晶”产生，大幅减少副反应和“死锂”形成。
实验数据显示，这款无负极锂金属软包电池在无集流体修饰、无外源补锂的条件下，能量密度达508瓦时每千克（Wh/kg）、1668瓦时每升（Wh/L），而当前传统商用电池能量密度不足280瓦时每千克。此外，在80%放电深度下，这款电池稳定充放电循环突破350次，可在2650瓦时每千克超高功率下持续放电超130秒，且单位瓦时成本较商用石墨基锂离子电池降低15%—25%。
王建辉表示，这项研究为研发高性能金属电极开辟了新路径，为未来大规模量产极高能量密度电池提供了理论支持。
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