锂金属的高反应性会减少其表面的电解质，从而导致锂金属电池性能下降。为了克服这个问题，科学家开发了功能性电解质和电解质添加剂以形成表面保护膜，这会影响锂电池的安全性和效率，但这仍然不能有效地防止某些严重的副反应。在目前的研究中，研究人员通过设计电解液来稳定锂金属和电解液，以提供升高的锂金属氧化还原电位，从而成功地从热力学上削弱锂金属的反应活性，从而有助于获得更好的电池性能。图片来源：东京大学化学系统工程系 Yamada & Kitada 实验室

研究结果有可能大大提高锂电池的能量密度。

一组研究人员发现了一种稳定锂金属电池中锂金属电极和电解质的新机制。这种新机制不依赖于传统的动力学方法。它有可能显着提高电池能量密度——相对于重量或体积存储的能量。

该团队今天（10 月 27 日）在《自然能源》杂志上发表了他们的发现。

锂金属电池是一项很有前途的技术，有可能满足高能量密度存储系统的需求。然而，由于这些电池中电解液不断分解，它们的库仑效率很低。库仑效率，也称为电流效率，描述了电子在电池中传输的效率。因此，具有高库仑效率的电池具有更长的电池循环寿命。

增强的库仑效率（CE，纵轴）可以通过提高锂金属的氧化还原电位（ELi/Li+，横轴）来获得，这会降低热力学驱动力以减少锂金属表面的电解质。插图表示化合物二茂铁 (Fc/Fc+) 的氧化还原曲线，用于估计给定电解质中锂金属氧化还原电位的变化。通过比较锂金属在 74 种不同电解质中的氧化还原电位，研究人员观察到氧化还原电位与库仑效率之间存在相关性。基于这些发现，很容易开发出几种能够实现高库仑效率（高达 99.4%）的电解质。图片来源：Yamada & Kitada 实验室，

“这是第一篇提出电极电位和相关结构特征作为锂金属电池电解液设计指标的论文，这些指标是通过引入数据科学并结合计算计算提取出来的。根据我们的发现，很容易开发出几种具有高库仑效率的电解质，”东京大学化学系统工程系教授 Atsuo Yamada 说。该团队的工作有可能为锂金属电池的下一代电解质设计提供新的机会。

在锂离子电池中，锂离子在充电过程中通过电解液从正极移动到负极，在放电时又返回。通过引入高能量密度电极，可以提高电池的能量密度。在此背景下，过去几十年进行了许多研究，将石墨负极改为锂金属。然而，锂金属具有高反应性，这会减少其表面的电解质。因此，锂金属电极表现出较差的库仑效率。

锂金属氧化还原电位的描述符的相对重要性是从偏最小二乘 (PLS) 回归分析中获得的。锂金属氧化还原电位的预测值和观察到的真实值之间的相关性非常好，如插图所示，以及均方根误差 (RMSE)。通过MD和DFT计算计算收集了大量与电解质溶液结构和物理化学性质相关的数据，并通过基于机器学习的回归分析定量分析了它们对锂金属氧化还原电位的影响。一个特定因素，即 Li+ 和阴离子 FSI- 的配位态，已被揭示为决定锂金属氧化还原电位的最重要描述符。

为了克服这个问题，科学家们开发了功能性电解质和形成表面保护膜的电解质添加剂。这种固体电解质界面对锂电池的安全性和效率有影响。表面保护膜防止电解质与锂金属电极直接接触，从而在动力学上减缓电解质还原。然而，直到现在，科学家们还没有完全理解固体电解质界面与库仑效率之间的相关性。

科学家们知道，如果他们提高固体电解质界面的稳定性，那么他们可以减缓电解质分解，提高电池的库仑效率。但即使采用先进的技术，科学家们也发现很难直接分析固体电解质界面化学。大多数关于固体电解质界面的研究都是用间接方法进行的。这些研究提供了间接证据，因此很难开发出具有高库仑效率的稳定电解质的锂金属。

研究小组确定，如果他们能够提高特定电解质系统中锂金属的氧化还原电位，就可以降低热力学驱动力以减少电解质，从而获得更高的库仑效率。这种策略很少应用于开发锂金属电池。Atsuo Yamada 说：“锂金属的热力学氧化还原电位随电解质的不同而显着变化，这是影响锂金属电池性能的一个简单但被忽视的因素。”

该团队研究了锂金属在 74 种电解质中的氧化还原电位。研究人员将一种名为二茂铁的化合物引入所有电解质中，作为 IUPAC（国际理论与应用化学联合会）推荐的电极电位内标。该团队证明了锂金属的氧化还原电位与库仑效率之间存在相关性。他们通过提高锂金属的氧化还原电位获得了高库仑效率。