南韓研究人員近日揭示了一項新的鋰金屬電池技術，這一突破可能使電動車更接近超快速充電和更長的續航里程。這項研究成果於 2 月 25 日由韓國科學技術院（KAIST）公佈，標誌著在解決下一代電池最棘手問題方面邁出了重要一步。隨著全球電動車的普及，汽車製造商正在尋求能在每磅重量中存儲更多能量並能在幾分鐘內充電的電池。
鋰金屬電池被廣泛視為當前鋰離子電池系統的可行接班人，因為它們有潛力提供更高的能量密度。然而，安全性和耐用性問題卻阻礙了其商業化進程。鋰金屬電池面臨的最大挑戰出現在充電過程中。鋰容易形成被稱為樹突的微小針狀結構，這些尖銳的晶體可能刺穿電池的內部層，導致短路、快速容量損失，甚至引發火災。這一問題與科學家所稱的界面不穩定性有關，該現象發生在電極與電解質的交界處。隨著充放電的反復進行，該界面變得不均勻，鋰因此不規則沉積，促進了樹突的生長和熱不穩定性。
在許多研究環境中，當前密度約為每平方厘米 4 毫安已被認為是高值，這相當於每 0.16 平方英寸的電極面積流過 4 毫安的電流。克服這種不穩定性被廣泛認為是使鋰金屬電池在現實世界電動車上可行的關鍵。KAIST 的研究小組由崔南淳教授和洪承範教授領導，並與高麗大學的郭相奎教授團隊合作。他們從電子結構的層面入手，而非依賴傳統的材料調整，通過將噻吩引入電解質中，創造出一種所謂的智能保護層。
這種保護層不同於靜態塗層，它能根據鋰離子的運動動態重新組織其電子結構。研究人員將其比作一個根據交通流量調整車道的智能交通系統。這種靈活的重組形成了穩定的鋰離子通道，防止不均的積聚。利用密度泛函理論模擬，研究小組確認該添加劑提供的界面穩定性遠超現有商業電解質添加劑。結果有效抑制了樹突的生長，即使在激烈的充電條件下也能保持穩定性能。
研究人員展示了在每平方厘米超過 8 毫安的情況下，能在 12 分鐘內快速充電，這一水平與現實電動車快速充電和快速加速場景中的功率需求相近。為了驗證電池的內部行為，團隊使用了原位原子力顯微鏡，觀察到了納米級的鋰沉積。即使在高電流下，鋰在表面均勻地沉積和去除，確認了機械和結構的穩定性。值得注意的是，該技術與廣泛使用的正極材料相容，包括鋰鐵磷、鋰鈷氧化物和鋰鎳鈷錳氧化物。
由於與現有電池化學相容，這項技術有望整合進當前的電動車生產系統。崔教授表示，這項研究不僅僅是材料的改進，而是通過設計電子結構來解決電池的根本問題，這將成為下一代電動車電池同時實現快速充電和長壽命的核心基礎技術。該研究成果發表在材料與能源期刊《InfoMat》中。
