非對稱醚溶劑：提升鋰金屬電池充電速度與穩定性的關鍵

隨著電子產業的快速發展，工程師們正致力於開發能夠快速充電、具備更高能量密度（即儲存更多能量）且使用壽命更長的電池。目前市面上大多數裝置都依賴鋰離子電池（Li-ion），而鋰金屬電池（LMBs）被視為最具潛力的替代方案。顧名思義，LMBs的負極（即陽極）由鋰金屬製成，相較於使用石墨或矽基陽極的鋰離子電池，LMBs展現出更高的能量密度。

然而，儘管LMBs潛力巨大，它們卻面臨著氧化還原動力學緩慢和迴圈可逆性差的問題。這些限制嚴重影響了電池的效能，導致充電速度變慢，且隨著時間推移效率下降。為瞭解決這些問題，史丹佛大學的研究團隊開發了一種新型電解質溶劑，並在《Nature Energy》期刊上發表了相關研究。他們提出的非對稱醚基溶劑不僅能加快LMBs的充電速度，還能提升其長期穩定性和可靠性。

研究團隊從鋰離子電池中常用的非對稱烷基碳酸酯（如乙基甲基碳酸酯，EMC）中獲得靈感，探索是否能在醚溶劑中引入類似的非對稱結構，以提升LMBs的效能。傳統的醚基溶劑通常由兩個烴基透過氧原子連線而成，且結構對稱。然而，這種對稱結構會減緩鋰離子的交換速率，從而影響電池的充電速度和穩定性。

為此，研究團隊設計了一種非對稱醚溶劑，其分子結構中的側基不同，能夠減少鋰離子脫溶過程中的空間阻礙。研究人員Choi解釋道：「對稱溶劑在電場作用下會阻擋鋰離子進入陽極，減緩電荷轉移。而非對稱溶劑的排列方式則能促進更快的鋰離子還原和脫溶。」

研究團隊進一步最佳化了溶劑中的偶極取向（即正負電荷對的排列），發現這能改善電荷轉移，促進鋰離子的移動，並形成更穩定的固體電解質介面（SEI）和均勻的鋰金屬陽極鍍層。Choi表示：「我們發現，更高的分子不對稱性可以加速鋰離子動力學，從而在高倍率條件下形成更穩定的SEI並延長迴圈壽命。」

透過最佳化醚骨架和氟化程度，研究團隊開發出一種名為F3EME的理想溶劑，在模擬電動垂直起降（eVTOL）應用的測試中，無陽極軟包電池展現出超過600次的迴圈壽命。初步實驗表明，這種非對稱醚溶劑能顯著提升LMBs的效能和穩定性。

展望未來，Choi及其團隊計劃設計更多具有類似分子結構的電解質，並將其應用於各種鋰基電池中，進一步評估其潛力。Choi補充道：「基於這一分子設計策略，我們希望擴充套件溶劑組合，應用於包括鋰金屬、鋰離子（矽陽極）和鋰硫電池在內的各種電池系統。」