佛羅里達州立大學(xué)和康奈爾大學(xué)一個研究小組發(fā)現(xiàn)，由廉價而安全的部件制成的電池，其電池能效是目前最先進鋰離子電池的三到四倍，其研究發(fā)表在《自然通訊》上。法姆-佛羅里達州立大學(xué)工程學(xué)院的博士后研究員Nijamudheen和康奈爾大學(xué)的博士生SnehashisChoudhury，以及這兩所大學(xué)的教職員工，開始了一項雄心勃勃的研究，研究是什么阻礙了目前的電池設(shè)計，以及如何改進它。

如果我們看一下電池成本隨時間的變化，就會發(fā)現(xiàn)這個矢量一直在上升，這并不奇怪，廣泛采用電池技術(shù)需要更低的成本。為了降低這些成本，研究人員解決了幾個與電解質(zhì)有關(guān)的具體問題。電解質(zhì)是電池結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部分，可以促使離子從一個電極向另一個電極的移動。研究小組開始研究電解質(zhì)在電池電極上降解的化學(xué)過程，研究人員不僅發(fā)現(xiàn)了電解質(zhì)降解的機制，還發(fā)現(xiàn)了多種解決方法，發(fā)現(xiàn)控制負(fù)極形成的相間離子特性是關(guān)鍵。

通過量子計算，Nijamudheen和導(dǎo)師，fsu化學(xué)工程助理教授Josemenza-cortes發(fā)現(xiàn)，這個問題源于電解液中一種叫做二甘醇成分發(fā)生聚合的方式。聚合是一種分子通過化學(xué)結(jié)合產(chǎn)生一種叫做聚合物的長鏈狀分子過程。就電池而言，電解質(zhì)在與電池的正極和負(fù)極長時間接觸后，常常會分裂并重新形成更大的分子。康奈爾大學(xué)(CornellUniversity)教授、喬杜里的顧問林登·阿徹(LyndenArcher)說：雖然降解過程本身是無害的，但副產(chǎn)品會阻止離子進入電池電極，隨著時間的推移，這會減少電池所能儲存的能量。

然而，盡管這一過程產(chǎn)生的某些聚合物會阻止離子到達電極，但其他聚合物已被證明在延長電池壽命方面有效。在掌握了聚合計算之后，研究人員開始研究聚合過程不會影響電池性能的其他類型電解質(zhì)。通常，鋰電池是由有機碳酸鹽電解質(zhì)制成，但這些電解質(zhì)高度易燃。因此，為降低熱失控和電池火災(zāi)風(fēng)險，必須使用昂貴的熱調(diào)節(jié)基礎(chǔ)設(shè)施來提供過熱電池單元的冷卻。相反，研究人員測試了一種不易燃的穩(wěn)定電解質(zhì)鋰硝酸鹽電解質(zhì)。利用這種電解質(zhì)，研究人員開始在固態(tài)電解質(zhì)間相(SEI)上進行實驗。

SEI是由于電解液分解而形成的一層保護層，通常在電池的第一個周期。法姆-佛羅里達大學(xué)工程學(xué)院的助理教授門多薩-科爾特斯說：一旦有了一個好的SEI，就有了一個好的電池，研究的想法是找到一種電解質(zhì)和溶劑，可以形成一種穩(wěn)定的SEI。研究人員利用犧牲鹽或通過電解質(zhì)引入的分子物種，在電池中自然形成一種新型SEI。還引入了鏈轉(zhuǎn)移劑(一串分子)，與二甘醇相互作用，形成一個屏蔽層，保護帶負(fù)電荷的電極不被降解。

為了評估設(shè)計的有效性，研究團隊對電池的使用能力進行了一系列的實驗，然后再充電。發(fā)現(xiàn)，這種電池可以循環(huán)大約2000次，遠高于傳統(tǒng)的300到500次充電，而傳統(tǒng)充電周期與大多數(shù)鋰離子電池有關(guān)。通過這個過程，可以獲得這種系統(tǒng)前所未有的效率，研究改進了SEI。這將意味著更持久的電力供應(yīng)，有很大的潛力。