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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

2019-06-19 16:26:42 編輯: 來(lái)源:
導(dǎo)讀 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

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。”


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