为了推动电子行业的未来发展，工程师们需要开发出充电速度更快、能量密度更高（即可以存储更多能量）且寿命更长的电池。在目前市场上大多数设备使用的锂离子（Li-ion）电池之外，锂金属电池（LMB）被认为是最有前景的替代品之一。顾名思义，锂金属电池的阳极（即负极）由锂金属制成。与使用石墨或硅基阳极的锂离子电池相比，锂金属电池的能量密度要高得多。

图片来源：《Nature Energy》

尽管锂金属电池潜力巨大，但其氧化还原动力学缓慢，循环可逆性较差。这些局限性往往会对其性能产生不利影响，随着时间的推移降低其充电速度和效率。

据外媒报道，斯坦福大学（Stanford University）的研究人员一直在尝试开发新的电解质溶剂，以提高LMB的性能。在发表于期刊《自然能源》（Nature Energy）的一篇论文中，研究人员介绍了一种基于不对称醚的溶剂，可以加快LMB的充电速度，同时提高其长期稳定性和可靠性。

该论文第一作者Rok Choi表示：“我们的目标是通过设计更好的溶剂分子来实现高倍率锂金属电池。我们从锂离子电池中使用的不对称烷基碳酸酯——碳酸甲乙酯（EMC）中汲取灵感，探索类似的不对称结构能否增强锂金属电池的醚基溶剂。”

醚基溶剂常被用作电池电解质。传统的醚基溶剂是由两个烃基通过氧原子连接而成的对称化合物。研究发现，这些对称醚溶剂会减慢锂离子的交换速度，从而对电池的充电速度和长期稳定性产生不利影响。因此，Choi及其同事开始探索不对称醚溶剂（由具有不同侧基的分子组成）作为锂金属电池电解质的性能。

Choi解释道：“我们设计的溶剂能够最大限度地减少锂离子脱溶剂过程中的空间位阻。在电场作用下，对称溶剂往往会阻碍锂离子进入阳极，从而减缓电荷转移。相比之下，不对称溶剂的排列方式能够促进更快的锂离子还原和脱溶剂。”

研究人员优化了溶剂中的偶极取向（即正负电荷对的排列）。他们发现，这改善了电荷转移，从而促进了锂离子的移动，有助于形成更稳定的固体电解质界面膜（SEI），并在锂金属阳极上形成均匀的锂镀层。

Choi表示：“我们发现，较高的分子不对称性能够加速锂离子动力学，从而在高速率条件下形成更稳定的SEI并延长电池循环寿命。通过优化醚骨架和氟化程度，我们开发出了理想的溶剂F3EME，在模拟电动垂直起降（eVTOL）应用的测试协议中，无阳极软包电池实现了超过600次循环。

在初步实验中，该研究团队设计的不对称醚溶剂显著提高了LMB的性能和稳定性。接下来，Choi及其同事计划设计具有类似基本分子结构的其他电解质，同时将它们引入各种锂基电池中，并进一步评估它们的潜力。

Choi补充道：“基于这种分子设计策略，我们的目标是扩展我们的溶剂组合，以适用于各种电池系统，包括锂金属电池、锂离子电池（使用硅阳极）和锂硫电池。”