据外媒报道，在最近发表在期刊《ACS Energy Letters》上的一篇论文中，研究人员介绍了一种创新方法，通过聚酰胺（尼龙，PA）在含锂溶液中的溶解化学反应来提高锂金属电池（LMB）的性能。

图片来源：期刊《ACS Energy Letters》

研究人员的目标是通过改善电极-电解质界面、提高效率、稳定性和安全性来解决高能量密度电池中的关键挑战。利用大分子添加剂，这种方法为更可持续的储能解决方案开辟了道路。

LMB技术的进步

LMB是一种很有前途的储能解决方案，凭借其高能量密度成为电动汽车和便携式电子设备的理想选择。然而，这种电池的发展受到与电解质稳定性和锂阳极上树状枝晶生长相关的阻碍，而这两个因素会导致短路和电池寿命缩短。稳定的电极-电解质界面对于提高电池性能和安全性至关重要，因为它可以防止电极和电解质直接接触。

从历史上看，小分子添加剂增强了这些界面，但溶解度和离子传输问题往往会限制它们的有效性。由于对尼龙等大分子添加剂的溶解度的担忧，它们一直被忽视。

探索聚酰胺溶解化学

该论文中，研究人员对PA在锂离子溶液中的溶解，及其作为商用碳酸盐电解质中大分子添加剂的潜在应用开展了研究。研究人员还探讨了影响PA溶解度的几个因素，包括阳离子的路易斯酸度、阴离子大小、溶剂溶解能力和盐浓度。

该研究利用了各种溶剂，包括碳酸二乙酯（DEC）、二甲氧基乙烷（DME）和不同的锂盐，以了解使PA溶解在温和锂溶液中的分子相互作用。

采用光谱和分子动力学模拟等实验技术分析锂离子（Li ）、阴离子和PA分子之间的相互作用；记录高温下PA在不同盐溶液中的溶解状态，并通过彩色数字提供可视化表示，以指示溶解度水平。

使用聚酰胺的关键见解和结果

研究结果强调了PA作为LMB中大分子添加剂的潜力。溶解的PA显著增强了锂金属阳极和高镍阴极上富含氮化锂（Li3N）的界面相的形成，这对于提高电池的可充电性和减缓枝晶生长至关重要。

这种稳定作用有助于提高循环稳定性，PA改性电池在0.5 C速率下经过300次循环后仍可保持约78%的容量。相比之下，对照电池的容量下降迅速，凸显了PA在长期使用过程中保持电池性能的有效性。

PA集成还改善了电解质离子电导率和Li 传输，将Li 传输数从0.51提高到0.94。这种增强归因于通过与PA链形成氢键的阴离子固定，这限制了阴离子的流动性并创造了更稳定和导电的电解质环境。此外，PA改性电解质表现出较低的极化电压，降低了内阻并实现了更高效的充放电循环。

研究人员证明，PA在Li 溶液中的溶解受阳离子路易斯酸度、阴离子大小、溶剂溶解能力和锂盐浓度的影响。在分子水平上，Li 离子优先与PA的羰基配位，而阴离子与酰胺基形成氢键，破坏了PA的晶体结构并使其在锂溶液中溶解。

值得注意的是，PA可有效溶解在商用碳酸盐基电解质中，浓度高达10 wt%，为PA加工中使用的传统腐蚀性溶剂提供了可行的替代品。

研究还表明，PA的加入使两个电极上的固体电解质界面（SEI）更具有热力学稳定性，从而进一步增强了LMB的电化学稳定性。这些SEI改善了Li 传导，同时防止了不良副反应，这是提高长期电池性能的关键因素。这些结果凸显了PA在增强电解质稳定性、改善离子传输和延长LMB寿命方面的变革性作用。

储能领域的潜在应用

这项研究对于开发更安全、更高效的LMB具有重要的实际意义。使用PA作为大分子添加剂，电池制造商可以提高储能系统的性能、寿命和可持续性。

在温和的锂溶液中溶解PA的能力消除了对腐蚀性溶剂的需求，符合环保的电池制造实践。这一进步对于高能量密度应用尤其重要，包括电动汽车、可再生能源存储和便携式电子产品。这些发现为探索电池配方中的大分子添加剂开辟了新的方向。

结论和未来方向

使用PA作为大分子添加剂的新方法改进了LMB技术。其发现为提高电池性能、安全性和寿命的坚固界面铺平了道路。这项创新解决了电池技术中的关键挑战，同时为实现可持续能源存储的更广泛目标做出了贡献。

随着对高能量密度电池的需求不断增长，这种方法为更清洁、更安全、更高效的能源存储解决方案提供了一条有希望的途径。未来的工作应侧重于精炼基于PA的电解质、评估其长期稳定性以及探索其他大分子添加剂以进一步推进电池技术。