新型电解液实现无负极锂电池寿命大幅提升

科技日报北京3月19日电 西湖大学工学院王建辉团队研发的一种新型穿梭耦合电解液，已经实现锂金属在电池负极高度同步、平整的沉积与溶解，有效突破了无负极锂电池循环寿命短的关键难题。

王建辉介绍，所谓“无负极锂电池”并非真正没有负极，而是在制作过程中不采用传统负极活性材料，仅仅把铜箔用来作为负极集流体。这类电池具备能量密度高、成本低、结构简单等优势，然而因为循环寿命有限，一直难以走出实验室进入实际应用。

无负极锂电池在充电过程中，锂离子常常在负极表面沉积得不均匀，形成类似树枝状的“枝晶”。这种“枝晶”不仅可能穿透隔膜造成短路起火，还会与电解液发生副反应，消耗锂资源；一旦“枝晶”断裂，还会生成不能继续参与反应的“死锂”，进一步影响电池性能。

为解决上述难题，王建辉团队持续开展研究。团队成员刘磊在2020年发现了一种含酰胺基团的溶剂，可以配制出具有优异性能的电解液。实验显示，这种电解液在纽扣电池测试时，锂的沉积与溶解效率明显提升，还能够支持高电压锂电池实现稳定循环。

研究人员借此突破，经过层层调整，最终研制出穿梭耦合电解液，并在软包电池中完成了实际验证。搭载该电解液后，锂离子能够在铜箔表面实现均匀、可逆的平面沉积和溶解，有效防止“枝晶”产生，减少副反应和“死锂”问题。

实验结果显示，这款无负极锂电池在没有集流体修饰和补锂措施的情况下，能量密度接近现有商用电池的两倍。电池在80%放电深度下也能稳定充放电循环超过350次，在2650瓦时/千克的超高功率条件下持续放电超过130秒，每瓦时成本比商用石墨锂离子电池低了15%至25%。

王建辉表示，这项成果为高性能金属电极的研发提供了新的思路，并为未来高能量密度电池的规模化生产打下了理论基础。