與鋰相關(guān)的發(fā)現(xiàn)可以延長(zhǎng)電池壽命并提高安全性

鋰金屬電池是數(shù)字“智能”設(shè)備和電動(dòng)汽車不斷擴(kuò)大的高密度儲(chǔ)能技術(shù)的最有希望的候選者之一，但不受控制的鋰枝晶生長(zhǎng)，導(dǎo)致充電能力差和安全隱患，目前使他們的潛在。

樹(shù)枝狀晶體是在鋰金屬表面上出現(xiàn)的針狀生長(zhǎng)物，其用作電池的陽(yáng)極或負(fù)電極。它們會(huì)引起不必要的副反應(yīng)，降低能量密度，最壞的情況是導(dǎo)致電極短路，導(dǎo)致火災(zāi)或爆炸。

亞利桑那州立大學(xué)的一項(xiàng)新研究表明，使用聚二甲基硅氧烷(PDMS)或硅樹(shù)脂三維層作為鋰金屬陽(yáng)極的基材已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)可以減少枝晶的形成，并且可以顯著延長(zhǎng)電池壽命并降低安全風(fēng)險(xiǎn)。

根據(jù)亞利桑那州立大學(xué)物質(zhì)，運(yùn)輸和能源工程學(xué)院教授Hanqing Jiang和Nature Energy上發(fā)表的論文的首席研究員的說(shuō)法，該研究結(jié)果與鋰離子電池和鋰空氣電池相關(guān)，以及對(duì)其他金屬陽(yáng)極電池的影響。

“幾乎所有用作電池陽(yáng)極的金屬都會(huì)產(chǎn)生枝晶，”江解釋說(shuō)。“例如，這些發(fā)現(xiàn)對(duì)鋅，鈉和鋁電池也有影響。”

江說(shuō)，他和研究團(tuán)隊(duì)不是從材料或電化學(xué)的角度來(lái)解決問(wèn)題，而是尋找機(jī)械工程師的解決方案。“我們已經(jīng)知道，在壓力下，錫針或晶須會(huì)從錫表面突出，所以我們通過(guò)類比的方式研究了應(yīng)力作為鋰枝晶生長(zhǎng)因素的可能性。”

第一輪研究涉及在電池陽(yáng)極底部添加一層PDMS。“枝晶生長(zhǎng)明顯減少，”江說(shuō)。研究人員發(fā)現(xiàn)，這與PDMS基質(zhì)以“皺紋”形式的變形減輕了鋰金屬內(nèi)積聚的應(yīng)力這一事實(shí)直接相關(guān)。

“這是第一次令人信服的證據(jù)表明，殘余應(yīng)力在鋰枝晶的形成過(guò)程中起著關(guān)鍵作用，”江說(shuō)。

除了對(duì)鋰枝晶生長(zhǎng)機(jī)制有基本了解外，江氏集團(tuán)還提出了一種智能方法，利用這一現(xiàn)象延長(zhǎng)鋰金屬電池的使用壽命，同時(shí)保持其高能量密度。解決方案是使PDMS基材具有大量表面的三維形式。“想象中含有大量?jī)?nèi)部小孔的糖塊，”江解釋道。“在這些立方體內(nèi)部，PDMS形成一個(gè)連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)作為基板，由薄銅層覆蓋以傳導(dǎo)電子。最后，鋰填充孔隙.PDMS，作為多孔的海綿狀層，減輕壓力和有效抑制枝晶生長(zhǎng)。“

“通過(guò)與其他鋰樹(shù)枝狀抑制方法(如新型電解液添加劑)的協(xié)同作用，這一發(fā)現(xiàn)對(duì)于使鋰金屬電池成為安全，高密度，長(zhǎng)期的儲(chǔ)能解決方案具有廣泛的意義，”研究團(tuán)隊(duì)的Ming Tang教授說(shuō)。萊斯大學(xué)成員。“潛在的應(yīng)用范圍從個(gè)人電子設(shè)備到為電動(dòng)汽車供電的特別長(zhǎng)的時(shí)間，再到太陽(yáng)能電網(wǎng)的備用電源。”