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哈佛科学家提出“三明治式”锂离子电池新设计

来源:锂离子电池 | 作者:友创伟业 | 发布时间: 2021-05-14 | 496 次浏览 | 分享到:
科学家们希望通过将用于阳极的石墨和铜换成锂金属来提高今天的锂离子电池的性能。阳极与液体电解质和电池的另一个电极--阴极一起工作,在设备充电和放电时来回传递离子,而锂金属的出色容量和密度使其成为这些用途的有吸引力的材料。
 
哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院材料科学副教授李昕说:“锂金属电池被认为是电池化学的‘圣杯’,因为它具有高容量和能量密度。但是这些电池的稳定性一直都很差。”稳定性差的原因是被称为树枝状的微小针状突起,它们在锂金属阳极的表面形成,进入液体电解质并侵蚀电池的性能,常常导致电池短路或起火。
 
使用固体电解质而不是具有挥发性溶剂的液体电解质,是科学家希望避免这一问题的方法之一。我们已经看到麻省理工学院和澳大利亚迪肯大学的研究小组提出了有希望的潜在解决方案,而现在哈佛大学的科学家们正在将一种类似于BLT三明治的组合投入到设计中。
 
该团队试图通过构建不同的层来保护其固态锂金属电池不受树枝状物的破坏,每个层都有不同程度的稳定性。这些层位于作为“面包”的两个电极之间,包括石墨涂层(生菜)、第一电解质层(番茄)、第二电解质层(培根),最后是另一层第一电解质(又是番茄)。
 
两种电解质的化学成分略有不同,这使得第一种电解质容易出现树枝状渗透,但在锂的作用下更稳定,第二种电解质在锂的作用下不太稳定,但对树枝状渗透免疫。通过这种方式,电池并没有阻止树枝状晶体的形成,而是能够安全地控制和遏制它,突起物被三明治的 "培根 "层挡住。
 
该论文的共同作者Luhan Ye说:“我们为了稳定电池而纳入不稳定性的策略感觉是反直觉的,但就像一个锚可以引导和控制进入墙壁的螺丝一样,我们的多层设计也可以引导和控制树突的生长。”
 
此外,电池能够通过回填树枝状物产生的缝隙来进行自我修复。在测试中,该团队发现该电池在10000次循环后保留了82%的容量,并展示了有朝一日可以让电动汽车在10至20分钟内充电的电流密度。
 
李昕说:“这种概念验证设计表明,锂金属固态电池可以与商用锂离子电池竞争。而且我们的多层设计的灵活性和多功能性使它有可能与电池行业的大规模生产程序兼容。将其扩大到商业电池并不容易,仍有一些实际的挑战,但我们相信它们将被克服。”
 
该研究发表在《自然》杂志上。
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