哥倫比亞大學工程與應用科學學院的研究人員最近開發了一種新型的凝膠電解質，專為無陽極鋰離子電池設計，能有效提高其安全性和使用壽命。為了實現這一目標，研究團隊重新審視了聚合物電解質和鋰離子在納米尺度上的互動。隨著對電氣化需求的增加，鋰離子電池成為人類所開發的能量密度最高的儲能解決方案。無陽極鋰離子電池承諾提供比傳統陽極電池更高的能量密度，且成本更低。然而，由於鋰沉積不穩定及電極-電解質界面反應等問題，這項技術尚未充分發揮其潛力，導致電池壽命縮短和安全隱患增加。
由應用物理和數學副教授楊原（Yuan Yang）領導的研究團隊，通過開發凝膠電解質來解決這些問題。研究人員在電解質設計中使用了一種具排斥特性的鹽類聚合物網絡，該網絡選擇性地排斥鋰離子，同時吸引溶劑分子。這種系統的優勢在於，電解質在納米尺度上被劃分為不同的組成，從而在鋰表面形成一層保護層。以往的研究雖然使用了高度氟化的電解質，但在實現這種分離方面的效果並不理想。在這種凝膠聚合物中，鋰離子與陰離子的協調性被強化，而與溶劑分子的協調性則被削弱。
為了更好地理解凝膠電解質的角色，研究人員運用了光譜學、低溫電子顯微鏡和分子模擬等技術，發現凝膠網絡促進了薄而富含無機物的界面形成，確保了鋰的沉積更加平滑和密集。此外，該電解質能抑制消耗活性鋰的寄生反應，幫助克服與無陽極設計相關的長期問題。
在實驗室中，研究人員發現這種新型凝膠電解質在接近實際條件下保持了超過 80% 的電池容量。更重要的是，該電解質還提升了電池的熱穩定性。在進行濫用測試時，內含凝膠電解質的多層袋型電池能承受大量鑽孔而不發生熱失控，與此同時，使用傳統液態電解質的電池在測試過程中則可能會著火或爆炸。這些結果顯示，聚合物化學可以成為控制溶劑結構和界面穩定性的一個強有力而未被充分探索的手段。
研究人員也相信，他們的這一方法可以擴展到超越鋰離子的電池技術，這將為更高密度、更便宜及更安全的儲能解決方案鋪平道路。此研究成果已發表於《Joule》期刊中。
