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持久锂电池的途径

更新时间:2020-09-14 17:50点击:

  几乎每个人都忍受了手机没电才能获得充电的挫败感,尽管电动汽车越来越普及,但在电池电量耗尽之前可以行驶多远仍受到限制。确实,电池的能量密度(在给定的质量或体积中包装多少能量)已成为消费电子,电动汽车和可再生能源的主要挑战。

持久锂电池的途径

  加州理工学院的新进展可能会大大改善事情。朱莉娅·格里尔(Julia R. Greer)实验室的研究人员发现了一种可能导致锂离子电池更安全,功能更强大的发现。他们的发现为最常见的可充电电池之一锂离子电池安全地容纳多达50%的能量提供了指导。

  常规的锂离子电池使用石墨构成阳极,即电流进入电池单元的电极。石墨自30年来一直是该任务的首选材料,因为它重量轻,稳定,价格合理,并且可以承受无数次电池循环的考验。Greer,加州理工学院的Ruben F.和Donna Mettler的材料科学,力学和医学工程教授以及Kavli纳米科学研究所的Fletcher Jones基金会理事说,如果只能克服一些技术挑战,那就可以找到更好的材料。

  她说:“使用锂而不是石墨阳极的电池,每个需要功率的应用都会受益,因为它们可以提供更多的功率,”她说。“锂是轻质的,它不占用太多空间,而且能量密度极大。”

  但是这里是锂金属的问题:当电池经过许多次充放电循环时,锂自然形成树枝状晶体,这些晶体形成一种分支状的树状结构。在电池充电过程中,树枝状晶体在锂金属电池中无法控制地生长,并且可以像细线一样作用,当它们穿透系统时会短路并杀死电池。

  格雷尔说,研究人员长期以来一直在寻找防止这种增长的新方法。一种可能的方法是将某些物体物理地压在锂金属上以抑制枝晶。尽管典型的锂离子电池具有液态电解质(将两个电池电极分开并通过锂​​离子移动的物质),但是使用固态电解质的电池理论上可以施加足够的机械压力来阻止枝晶。

  格雷尔怀疑固态电解质的强度不足以抵抗树枝状晶体的生长,因为研究人员低估了尺寸为纳米级的树枝状晶体的强度。他们低估了它,因为宏观锂是一种相对软的金属,可与铅和锡媲美。她说,小规模的金属强度可能比大规模的金属高100倍。

  格雷尔说:“如果您想到的是珠宝,例如金或铜,它的延展性很强。您可以用自己的双手轻松地使其变形。”他专门研究纳米材料的机械性能。“但是,当减小相同金属的尺寸时,强度可以提高一个数量级以上。”

  2015年,Greer和她的同事们雕刻了微小的锂柱,并测试了它们的弹性,发现它们至少比人们想象的要强一个数量级。格雷尔说,实验设置并未完全反映出锂枝晶在真实电池中的表现方式。为了更准确地模拟这一点,她和她的合作者,包括格里尔实验室的校友迈克尔·奇特林(Michael Citrin)和博士后学者衡阳(Heng Yang),以及Front Edge Technology的西蒙·尼尔(Simon Nieh),制造了一种电池,该电池设计用于生产与纯锂枝晶非常相似的电池。在电池中形成。研究人员发现,这些树枝状晶体的强度是散装锂的24倍。

  有了这些信息,研究人员现在对使锂阳极电池工作所需的条件有了更好的了解。格里尔说,这代表了一项重大的研究挑战,因为聚合物和陶瓷(通常用于固体电解质的材料)都有缺点。大多数聚合物太软,无法承受树枝状晶体的生长,而陶瓷则容易在树枝状晶体施加的压力下破裂。

  有了这些新发现,科学家便有了一个起点。她说:“这与电池研究息息相关,是基础研究与技术进步息息相关的真实体现。”

  这项研究在《MRS公报》上的一篇论文中进行了描述,该论文的标题为“从离子到原子再到树突:电沉积锂的形成和纳米力学行为”。


持久锂电池的途径