馴服枝晶'可以帶來(lái)更好的鋰離子電池

研究人員已經(jīng)了解了鋰離子電池常見(jiàn)故障背后的機(jī)制，這種故障是由于“樹(shù)突”的形成和發(fā)展造成的，這些結(jié)果有助于設(shè)計(jì)更快充電和更持久的電池。

樹(shù)枝狀晶體是在電池內(nèi)生長(zhǎng)的鋰形成物。因?yàn)樗鼈冊(cè)诒┞队诳焖俪潆娝璧拇箅娏鞯耐瑫r(shí)生長(zhǎng)得更快，樹(shù)枝狀晶體限制了再充電速度。

普渡大學(xué)材料工程教授EdwinGarcía說(shuō)：“我們都有機(jī)會(huì)在機(jī)場(chǎng)等待兩三個(gè)小時(shí)等待我們的手機(jī)充電。” “更好地控制枝晶生長(zhǎng)將導(dǎo)致更快的充電。”

電池具有兩個(gè)電極，稱(chēng)為陽(yáng)極和陰極，由絕緣聚合物隔開(kāi)。以針狀形狀生長(zhǎng)的樹(shù)突可能會(huì)破壞分離屏障，從而破壞電池。

11月1日在線發(fā)表在納米能源雜志上的一篇論文詳細(xì)介紹了這項(xiàng)新的研究成果，并將在未來(lái)的印刷版中出現(xiàn)。該論文由研究生Aniruddha Jana和García撰寫(xiě)。

他們以前的研究主要集中在樹(shù)突的基本機(jī)制和電化學(xué)。

“從那以后我們發(fā)現(xiàn)，實(shí)際上這個(gè)問(wèn)題比我們想象的要復(fù)雜得多，有內(nèi)部行為制度，”加西亞說(shuō)。

眾所周知，樹(shù)突有兩種生長(zhǎng)方式。在一種模式中，鋰在地層的頂端或頂蓋上成層累積，產(chǎn)生逐漸膨脹。在第二種模式中，樹(shù)突從基部生長(zhǎng)，這比尖端擴(kuò)張快得多且更危險(xiǎn)。

然而，到目前為止，第二種增長(zhǎng)形式的機(jī)制尚不清楚。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，向帽中添加鋰會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力，導(dǎo)致堿從指數(shù)生長(zhǎng)。

“事實(shí)證明鋰就像一管牙膏，”他說(shuō)。“它非常柔軟，當(dāng)你添加鋰時(shí)，它會(huì)強(qiáng)調(diào)枝晶，就像擠壓管子一樣。它只是噴出來(lái)的。”

研究結(jié)果還揭示了枝晶生長(zhǎng)的第三種模式，即混合生長(zhǎng)方式，它結(jié)合了兩種模式。

新發(fā)現(xiàn)將被納入更復(fù)雜的模型，以研究和預(yù)測(cè)枝晶生長(zhǎng)和改進(jìn)電池設(shè)計(jì)。

“了解樹(shù)突生長(zhǎng)的機(jī)制是控制它們的第一步，”他說(shuō)。“這使我們能夠找到更現(xiàn)實(shí)的策略來(lái)減輕枝晶生長(zhǎng)，從而使電池更安全，并找到更好的充電策略。”

可能解決該問(wèn)題的一種方法是誘導(dǎo)鋰均勻且相對(duì)平坦地生長(zhǎng)而不是非均勻和尖銳的。不均勻生長(zhǎng)意味著樹(shù)枝狀晶體在陽(yáng)極表面上的不同位置處不均勻地發(fā)芽。García說(shuō)，如果能夠誘導(dǎo)它們均勻地生長(zhǎng)并以更加可控的方式生長(zhǎng)，那么電池可以設(shè)計(jì)成適應(yīng)這種生長(zhǎng)，防止地層到達(dá)陰極。

對(duì)于新興類(lèi)型的電池來(lái)說(shuō)，枝晶是一個(gè)更為嚴(yán)重的問(wèn)題，稱(chēng)為鋰陽(yáng)極電池和鋰空氣電池。

雖然今天的電池中的陽(yáng)極是由碳制成的，但這些新型電池中的陽(yáng)極將由純鋰制成，這可能使容量增加十倍但使它們更容易受到枝晶的影響。

研究人員創(chuàng)建了“枝晶生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)的統(tǒng)一理論框架”，評(píng)估了枝晶形成和生長(zhǎng)的不同驅(qū)動(dòng)力的貢獻(xiàn)，并確定了五種“鋰生長(zhǎng)方式”。

“這些研究結(jié)果提出了設(shè)計(jì)無(wú)樹(shù)枝狀鋰基陽(yáng)極作為踏腳石的路線圖，以確定無(wú)枝晶的替代化學(xué)成分，”García說(shuō)。

Jana進(jìn)行了研究的數(shù)學(xué)計(jì)算，并在電池充電時(shí)創(chuàng)建了與枝晶生長(zhǎng)相關(guān)的各種類(lèi)型微結(jié)構(gòu)的目錄。