科学家们发现了一种有望使电动汽车电池更小、更轻、更耐用的方法，有望在不使用更大电池组的情况下实现更远的续航里程。
韩国研究人员开发出了一项新技术，有望制造出更小、更轻的电动汽车（EV）电池，从而实现单次充电后更长的续航里程。韩国科学技术院（KAIST）的科学家们找到了一种解决无负极电池主要缺陷的方法，该技术通过消除石墨等传统材料来减小电池的尺寸和重量。尽管这些电池能在更小的空间内储存更多能量，但其使用寿命往往受限于充电过程中尖锐锂结构（锂枝晶）的形成。研究人员通过借鉴半导体行业的精密制造技术解决了这一问题，使锂离子能够更均匀地沉积，同时促进了耐用保护层的发展。
9月22日，韩国科学技术院（KAIST，校长裴忠锡）宣布，由其化学与生物分子工程系李真宇教授和郑熙泰教授领导的合作团队取得了突破性进展。该项目还涉及庆北大学（校长许永宇）和国家纳米制造中心（校长朴恒洙）的科学家。研究人员通过应用传统上用于制造半导体器件的极高精度制造方法，开发出一种延长无负极电池使用寿命的方法，同时不显著增加其尺寸或重量。
无正极电池如何改变电动汽车
在传统的锂离子电池中，当电池充电时，锂会储存在由石墨等材料制成的负极中。无负极电池的运行方式则不同。它们不再依赖单独的负极材料，而是允许锂直接在薄铜箔上积累。
移除传统阳极消除了原本会增加电池整体重量和厚度的材料。这使得在相同空间内储存更多能量成为可能，有望让电动汽车在无需更大或更重电池组的情况下行驶更远的距离。
然而，这种有前景的设计也存在一个严重的问题。随着电池反复充放电，锂离子不会总是均匀地分布在铜表面。相反，它们可能会在分支状或针状的结构中积累，这些结构被称为枝晶。
这些结构会干扰电池性能，同时锂周围的保护层也可能变得不稳定。这些问题共同导致电池加速退化，使得电池寿命有限成为将无负极电池广泛商业化应用的最大障碍之一。
以往解决这一问题的方法包括在运行过程中补充锂以弥补材料的损失，或者用更厚的保护涂层覆盖电极。尽管这些方法有助于补偿降解或保护表面，但它们也会引入额外的材料。由此导致的厚度和重量增加，削弱了无负极电池技术的这一主要优势。
借鉴半导体技术以防止锂价暴涨
KAIST主导的团队没有添加大量材料，而是专注于改变锂积累的铜箔的结构。
研究人员在铜表面上精心排列了一系列微小管状结构。这一概念类似于将一个大型停车场划分为许多独立的停车位。通过这种方式，可以避免锂在某些区域不均匀地堆积，而是提供更均匀的沉积位置。
为了实现这些功能，团队采用了一种被称为二次溅射光刻（SSL）的半导体制造技术。该工艺能够以高精度制造出极微小的结构。
每个管状结构大约有300纳米的直径和150纳米的高度。尽管尺寸微小，这些结构使铜箔用于锂沉积的可用表面积增加了约四倍，相当于普通平面薄片。
扩充的表面有助于更均匀地分布锂，减少可能导致破坏性尖峰的集中堆积。这种方法改善了稳定的锂沉积条件，而无需依赖大量额外的材料。
超薄保护涂层有助于延长电池寿命
研究人员进一步将MXene（一种二维材料）涂层应用于铜箔。该涂层厚度约为10纳米，仅相当于人类头发厚度的几千分之一。
MXene并非充当电池的最后一道保护屏障，而是作为一种基础层，在运行过程中促进更强的保护层形成。就像底漆为油漆准备表面一样，它有助于汇集形成稳定涂层所需的成分。
在实验中使用的基于LiPF6的电解液中，MXene表面促进了含有高浓度氟化锂（LiF）的保护层形成。
该层有助于限制锂与电解质之间不必要的化学反应，同时抑制有害锂枝晶的生长。通过稳定电极表面，它解决了无负极电池退化过程中的两个重要原因。
为了了解保护层是如何形成的，科学家们在严格限制其暴露于空气的同时，检查了电极表面和内部横截面。他们的观察证实，一层纳米级的保护层均匀地形成了MXene表面，并有助于解释其形成过程。
该研究涉及多种先进的分析方法，包括X射线光电子能谱（XPS）、飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）和透射电子显微镜（TEM）。
迈向更小、更持久电动汽车电池的积极一步
李真宇教授说：“这项研究表明，半导体制造中使用的超精细制造技术，可以在不改变本体电解液配方或添加额外锂的情况下，同时形成均匀的锂沉积位点和稳定的保护层。”
他还解释说，这些发现有助于加速高能量密度无负极电池的商业化开发。该技术在保持额外重量和体积最小化的同时延长了电池的使用寿命，从而能够支持未来电动汽车更紧凑型储能系统的开发。
KAIST研究人员金恩智、郑贤珠和金镇旭担任了该研究的共同第一作者。研究结果于9月1日在国际期刊Advanced Functional Materials上在线发表。
该研究项目获得了韩国国家研究基金会（NRF）通过纳米与材料技术发展计划的资助，并由科学与信息通信部（RS-2026-25542167）提供支持。此外，还获得了国家纳米晶圆厂中心（NNFC）的全球半导体先进晶圆厂利用项目以及NNFC的半导体-二次电池界面平台技术发展项目的额外支持。