時間:2024-04-10 17:29:08來源:科技日報
鋰金屬陽極電池被認為是電池設計的發(fā)展方向,因為它們的容量是商用石墨陽極電池的10倍,可大大增加電動汽車的行駛距離。新研究是邁向工業(yè)和商業(yè)應用更實用固態(tài)電池的重要一步。
電池設計中最大的挑戰(zhàn)之一是陽極表面枝晶的形成問題。這些枝晶結構像樹根一樣伸展到電解質(zhì)中,刺穿分隔陽極和陰極的屏障,導致電池短路甚至著火。
2021年,團隊曾開發(fā)出一種處理枝晶的方法。他們設計了一種多層電池,將穩(wěn)定性不同的材料夾在陽極和陰極之間。但這種設計不能完全阻止鋰枝晶的滲透,只是通過控制和包覆來盡量防止這種滲透。
團隊此次通過在陽極中使用微米級的硅顆粒來限制鋰化反應,并促進鋰金屬層的均勻電鍍,從而阻止枝晶的形成。在該設計中,當鋰離子在充電過程中從陰極移動到陽極時,鋰化反應被限制在淺表面。離子附著在硅顆粒的表面,但不會進一步滲透。
在固態(tài)電池中,硅表面的離子受到限制并經(jīng)歷鋰化的動態(tài)過程,在硅核心周圍形成鋰金屬鍍層。在新設計中,這些涂層顆粒形成均勻的表面,阻止了枝晶的生長。而且,由于電鍍和剝離可在平坦的表面上快速發(fā)生,因此電池大約不到10分鐘即可充滿電。
研究人員制造了郵票大小的軟包電池版本,它比大多數(shù)大學實驗室制造的紐扣電池大10到20倍。該電池在6000次充放電循環(huán)后仍保留80%的電池容量,優(yōu)于當今市場上的其他軟包電池。
相信大家都有這種體驗,手機或電腦用了一段時間后,電池容量就會下降,電量耗盡的時間也隨之變短。鋰電池容量下降的一大原因就是鋰元素的不可逆損失。陽極表面的枝晶也是一種不可逆的鋰化合物,它的生長機制復雜。此次,研究人員用了新的設計,限制鋰化反應,防止枝晶生長,使電池充電所需時間縮短。這種新型電池可為更多電動產(chǎn)品賦能,比如研發(fā)出大容量、安全且可快速充電的電池就可推動電動車行業(yè)的進一步發(fā)展。
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