與鋰相關的發(fā)現(xiàn)可以延長電池壽命并提高安全性

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

樹枝狀晶體是在鋰金屬表面上出現(xiàn)的針狀生長物，其用作電池的陽極或負電極。它們會引起不必要的副反應，降低能量密度，最壞的情況是導致電極短路，導致火災或爆炸。

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

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

“幾乎所有用作電池陽極的金屬都會產(chǎn)生枝晶，”江解釋說。“例如，這些發(fā)現(xiàn)對鋅，鈉和鋁電池也有影響。”

江說，他和研究團隊不是從材料或電化學的角度來解決問題，而是尋找機械工程師的解決方案。“我們已經(jīng)知道，在壓力下，錫針或晶須會從錫表面突出，所以我們通過類比的方式研究了應力作為鋰枝晶生長因素的可能性。”

第一輪研究涉及在電池陽極底部添加一層PDMS。“枝晶生長明顯減少，”江說。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)積聚的應力這一事實直接相關。

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

除了對鋰枝晶生長機制有基本了解外，江氏集團還提出了一種智能方法，利用這一現(xiàn)象延長鋰金屬電池的使用壽命，同時保持其高能量密度。解決方案是使PDMS基材具有大量表面的三維形式。“想象中含有大量內(nèi)部小孔的糖塊，”江解釋道。“在這些立方體內(nèi)部，PDMS形成一個連續(xù)的網(wǎng)絡作為基板，由薄銅層覆蓋以傳導電子。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。“

“通過與其他鋰樹枝狀抑制方法(如新型電解液添加劑)的協(xié)同作用，這一發(fā)現(xiàn)對于使鋰金屬電池成為安全，高密度，長期的儲能解決方案具有廣泛的意義，”研究團隊的Ming Tang教授說。萊斯大學成員。“潛在的應用范圍從個人電子設備到為電動汽車供電的特別長的時間，再到太陽能電網(wǎng)的備用電源。”