鋰電池是以鋰金屬或鋰合金為陽極材料，使用非水電解質溶液的電池。隨著二十世紀末微電子技術的發展，小型化的設備日益增多，鋰電池隨之在許多領域得到了大規模的實際應用。
電動汽車的快速發展，對可持續發展的未來充滿希望，但對電池提出了很高的要求，其局限性在於其電池缺乏持久耐用的高能量密度。對於停電和電網故障期間的居住房屋，情況也是如此，尚不存在能夠在沒有電的情況下供電超過一個晚上的小型高效電池。提供輕量、持久、低成本儲能的下一代鋰電池，將會帶來革命性的變化。問題是，存在許多挑戰。
一個主要挑戰是，儘管可充電鋰金屬陽極在新一波鋰電池的功能方面起著關鍵作用，但在電池運行過程中，它們極易受樹枝狀晶體的微觀結構的生長的影響，而樹枝狀晶體持續增長會導致危險的短路、著火、甚至爆炸。
哥倫比亞大學與卡內基·梅隆大學的科學家今天報告說，他們已經發現鹼金屬添加劑（例如鉀離子），可以防止電池使用過程中鋰微結構的擴散。他們結合了顯微鏡、核磁共振（類似於MRI）、和計算模型，發現向常規鋰電池電解質中添加少量鉀鹽會在鋰/電解質界面產生獨特的化學作用，從而擴展下一代鋰金屬電池的新技術。
如圖所示，當在常規鋰電池電解液中循環使用時，鋰金屬電池表現出微觀結構的增長（左）。向電解液中添加鉀離子可調節電池運行過程中的降解，防止微結構的生長，並導致更安全、更持久的電池（右）。
研究人員說：「特別是，我們發現鉀離子可減輕沉積在鋰金屬表面上的不良化合物的形成，並防止鋰離子在電池充放電過程中的遷移，最終限制了微結構的生長。」
如圖所示，該團隊使用核磁共振成像和計算機模擬來更好地了解鋰金屬陽極表面上分子的反應性和結構，從而是電池性能提高。
研究團隊發現鹼金屬添加劑可抑制鋰金屬表面上非導電化合物的生長，這與傳統的電解質處理方法不同，傳統的電解質處理方法側重於在金屬表面沉積導電聚合物。通過使用定量核磁共振（nuclear magnetic resonance，縮寫NMR）和密度泛函理論（density functional theory，縮寫DFT）對鋰金屬表面化學進行的首次深入表徵，該研究結果表明，這項技術將用於設計與提高鋰金屬的新型電解質的能力。
研究人員表示，「電解質是精心挑選的分子的混合物，」 「使用核磁共振和計算機模擬，我們最終可以了解這些獨特的電解質配方如何在分子水平上改善鋰金屬電池的性能。這種見解最終為研究人員提供了優化電解質設計並實現穩定的鋰金屬電池所需的工具。」
該研究結果論文，題為：「利用陽離子特性來設計可充電鋰金屬陽極的固體電解質中間相」，發表在今天的《細胞報告：物理科學》學刊上。
參考：Leveraging Cation Identity to Engineer Solid Electrolyte Interphases for Rechargeable Lithium Metal Anodes."DOI: 10.1016/j.xcrp.2020.100239
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