锂电重要缺点有望被击破!MIT科学家借助机械应力巧妙解决

时间:2022-11-23 18:45       来源: www.bkuino.com

电池研究范围充满了障碍和瓶颈,但有一个问题比大部分问题都突出。枝晶成长一直困扰着下一代电池的设计,但麻省理工学院领导的一项新研究声称,他们已经发现了问题的根源,并展示了怎么样消除这个问题的解决方法。

枝晶是一种细长的触须状金属细丝,在锂电池循环过程中会在电极上成长,并且蜿蜒进入电解液,可能致使短路、意料之外升温甚至失火等问题。现在,各国科研工作者已经找到各种各样的抑制枝晶成长的创造性办法,但麻省理工的科学家觉得,他们为这个问题带来了根治性解决方法。

固态电池上的试验

据了解,MIT的科学家们正在用一种固态电池进行实验,这种电池的结构以固体电解质材料为特点,而不是传统的液体电解质。与典型的电池一样,锂离子在充电和放电时在两个电极之间穿梭,在这样的情况下,锂离子通过固体电解质。

研究职员发现,尽管固体电解质是由相对坚硬的材料制成的,但当离子在两侧电极之间移动时,很柔软的锂仍可以穿透它。这是电极在吸收和沉积锂时体积变化的结果,这反过来会致使机械应力问题。

MIT教授Yet-Ming Chiang说,“为了沉积这种金属,其体积需要扩大,因此锂沉积电池一侧的体积增加了。假如存在微小的缺点,用时这类缺点就会承受重压,从而致使开裂。”

以机械应力来引导枝晶生成

依据研究职员的说法,这类裂缝可以使枝晶有机会形成。他们在一种透明的实验电解质材料中研究了这一过程,而在过去的大部分实验中,科学家们只能在不透明的材料中研究这一过程。而这一次,因为可以直接察看到这种现象,MIT的研究职员就想出了新的办法来预防枝晶导致损害。

在后续的实验中,研究小组表明,通过施加机械应力来“引导”枝晶的成长是可能的,使它们完全与重压的方向一致。虽然不可以完全阻止它们的形成,但这确实意味着它们或许会在电极中向远处成长,不对电解质导致破坏。

该团队通过用机械重压来弯曲材料,以此来证明这一点,并设计出在商用电池中达成这一点的几种办法。该装置可以结合具备不同热膨胀性能的材料来诱导弯曲和机械应力,或者材料可以掺杂原子引起变形。

而且更要紧的是,控制枝晶成长所需重压,大约在150到200兆帕斯卡,现在是可以达成的。

这项研究成就已于最近发表在了《焦耳》杂志上。

他们还指出,假如他们能做到这一点,并设计出一种电池克服枝晶成长的环境,那将开启很有前途的下一代电池构造,如固态锂金属电池。纯金属锂取代石墨和铜作为阳极之一,可以提供几倍于目前电池的能量密度,同时也更轻更安全,由于它们不用易燃液体作为电解质。

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