布朗大学和爱达荷国家实验室的工程师组成的研究小组认为，要使电池的使用寿命更长，关键可能在于如何清洁，特别是肥皂在这一过程中如何发挥作用。
以洗手为例。当人们用肥皂洗手时，肥皂会形成一种叫做胶束的结构，当用水冲洗时，胶束会吸附并清除油脂、污垢和病菌。肥皂之所以能做到这一点，是因为它在水和被清洗掉的东西之间起到了桥梁作用，将它们结合并包裹到胶束结构中。
研究人员在《自然-材料》（Nature Materials）杂志上发表的一项新研究中注意到，在设计更长寿命的锂电池时，一种最有前途的物质--一种被称为局部高浓度电解质的新型电解质--中也有类似的过程。他们在论文中提出，对这一过程如何起作用的新认识，可能是完全打开这一新兴技术领域大门所缺少的一环。
"布朗大学工程学院教授 Yue Qi 说："总的来说，我们希望改善和提高电池的能量密度，即电池在每个循环中能储存多少能量，以及电池能持续多少个循环。"要做到这一点，就需要更换传统电池内部的材料，使存储更多能量的长寿命电池成为现实--想想能为手机供电一周或更长时间的电池，或者能行驶 500 英里的电动汽车。"
科学家们一直在积极努力向金属锂电池过渡，因为金属锂电池的储能能力比现在的锂离子电池要高得多。传统电解质是电池不可或缺的组成部分，因为它们能让电荷在电池的两个端子之间传递，引发将储存的化学能转化为电能所需的电化学反应。锂离子电池的传统电解质主要由溶解在液体溶剂中的低浓度盐组成，但在金属基电池中却无法有效实现这一功能。
为解决这一难题，爱达荷国家实验室和西北太平洋国家实验室的科学家们设计出了局部高浓度电解质。它们是通过将溶剂中的高浓度盐与另一种被称为稀释剂的液体混合制成的，这种稀释剂能使电解液更好地流动，从而保持电池的功率。
迄今为止，在实验室测试中，这种新型电解质显示出了良好的效果，但人们对其工作原理和原因还没有完全了解，这就限制了它的有效性以及如何更好地开发这种电解质。这正是新研究要解决的问题。
"参与这项研究的美国橡树岭国家实验室资深科学家李斌说："这篇论文提供了一个统一的理论，说明为什么这种电解质能更好地发挥作用，对它的关键理解来自于发现这种电解质中形成的胶束状结构，就像肥皂一样。"在这里，我们看到肥皂或表面活性剂的作用是由同时结合稀释剂和盐的溶剂发挥的，它将自身包裹在胶束中心的高浓度盐周围。
通过了解这一点，研究人员能够细分出实现电池最佳反应所需的比例和浓度。这应该有助于解决这种电解质工程中的一个主要问题，即如何找到三种成分的适当平衡。事实上，这项工作不仅为制造能发挥作用的局部高浓度电解质提供了更好的指导，而且为制造能更有效发挥作用的电解质提供了更好的指导。
爱达荷国家实验室的研究人员将这一理论付诸实践。他们发现，到目前为止，该理论仍然有效，并有助于延长锂金属电池的寿命。研究小组很高兴看到他们的工作能带来怎样的局部高浓度电解质设计，但他们也知道，要克服高密度电池的电解质设计瓶颈，仍需取得重大进展。现在，他们感到很有趣的是，秘密可能就在肥皂这样平凡而日常的东西中。
"对于电解质来说，胶束的概念可能很新，但实际上它在我们的日常生活中非常常见，"Qi 说。"现在我们有了理论，有了准则，可以从电解质中的盐、溶剂和稀释剂中获得我们想要的相互作用，以及它们必须达到的浓度和如何混合。
参考文献：Corey M. Efaw et al, Localized high-concentration electrolytes get more localized through micelle-like structures, Nature Materials (2023). DOI: 10.1038/s41563-023-01700-3
