加州大學圣迭戈分校的納米工程師們發現了在超低溫下性能良好的鋰金屬電池的新原理——電解質對鋰離子的吸附越弱越好。通過使用這種弱結合電解質，研究人員開發出了一種可在零下60攝氏度反復充電的鋰金屬電池，這在該領域尚屬首次。

詳細研究成果發表于《自然·能源》(NatureEnergy)。

在測試中，概念驗證電池在-40和-60攝氏度的50次循環中分別保留了84%和76%的容量。研究人員指出，這樣的表現是前所未有的。

其他用于低溫下使用的鋰離子電池可以在低溫下放電，但充電時要加熱。這意味著必須帶上額外的加熱器，以便在外太空和深海探索等應用中使用這些電池。而此次的新電池可在超低溫下充放電。

在超低溫下提高鋰金屬電池性能，目前為止許多努力都集中在選擇不會那么容易凍結的電解質，并能保持鋰離子在電極之間快速移動。在這項研究中，研究人員發現，關鍵不在于電解質移動離子的速度有多快，而在于電解質釋放離子并將其沉積在陽極上的容易程度。

研究人員通過比較兩種電解質的電池性能得出了這些發現：一種是與鋰離子結合較弱的電解質，另一種是與鋰離子結合較強的電解質。具有弱結合電解質的鋰金屬電池在-60攝氏度下整體性能更好；在50次循環后，它仍然運行強勁。相比之下，具有強結合電解質的電池在兩個周期后就停止工作了。

在電池循環后，研究人員將它們分開，比較陽極上的鋰金屬沉積，發現存在明顯差異：電解質結合較弱的電池沉積光滑均勻，而電解質結合較強的電池沉積呈塊狀針狀。

這些發現使該團隊能夠設計出一種與電解質和陽極兼容的陰極，以實現低溫性能。它是一種硫基陰極，由低成本、豐富且對環境無害的材料制成，不使用昂貴的過渡金屬。

研究人員表示，“這項研究的意義是雙重的。從科學的角度來說，它提出了與傳統觀點相反的見解。從技術上講，這是第一款可充電的鋰金屬電池，它可以在-60攝氏度完全運行的情況下供應有用的能量密度。這兩個方面為超低溫電池供應了一個完整的解決方法。”