隨著數(shù)字化智能設(shè)備和電動汽車市場的日益擴(kuò)張,鋰金屬電池可以說是有前途的高密度儲能技術(shù)之。然而,鋰金屬電池技術(shù)的大壁壘是會出現(xiàn)不可控的鋰枝晶,并由此引起充電能力變差和安隱患的問題。
鋰枝晶指的是鋰金屬在用作電池的陽或負(fù)時(shí)表面生長出的針狀物,它會引起有害的副反應(yīng)而降低能量密度,嚴(yán)重的甚至?xí)?dǎo)致電短路而引發(fā)火災(zāi)或爆炸。
日前,亞利桑那州立大學(xué)(ArizonaStateUniversity)的項(xiàng)新研究發(fā)現(xiàn),使用三維聚二甲基硅氧烷(PDMS)層作為電池中鋰金屬陽的基體材料,能夠有地抑制鋰枝晶的形成,從而大大地延長電池壽命,減少安隱患。該研究于3月6日發(fā)表在的期刊《自然?能源》(NatureEnergy)上。
論文的研究員姜漢卿(HanqingJiang)教授說,這個(gè)發(fā)現(xiàn)對鋰離子(lithium-ion)電池和鋰空氣(lithium-air)電池都有意義,并且對其他金屬陽電池也有很大的意義。因?yàn)閹缀跛杏米麟姵仃柕慕饘俣紩a(chǎn)生枝狀晶體,比如,鋅、鈉和鋁電池等。
姜漢卿稱,他和研究團(tuán)隊(duì)并不是從材料或電化學(xué)的角度來解決這個(gè)問題的,而是從機(jī)械工程師的角度來尋找解決方案。他說,“已知的研究表明,微小的錫針或錫須(類似枝狀晶體)在應(yīng)力作用下會從錫金屬的表面伸出,因此通過類比,我們研究了應(yīng)力作為鋰枝晶生長原因的可能性。”
在輪研究中,研究者在電池的陽底部加了層柔性PDMS,發(fā)現(xiàn)鋰枝晶的生長有明顯的減少。研究者的分析表明,金屬鋰電中累積的應(yīng)力被PDMS基底以褶皺變形的形式所釋放,而這種枝晶減少的趨勢與此應(yīng)力釋放直接相關(guān)。
“這是從實(shí)驗(yàn)上證明了殘余應(yīng)力在鋰枝晶的形成中起著關(guān)鍵作用”,姜漢卿說除了研究鋰枝晶的生長機(jī)制外,姜漢卿團(tuán)隊(duì)又進(jìn)步研究了如何利用這種現(xiàn)象(應(yīng)力釋放減少枝晶生長)來延長鋰金屬電池的壽命,同時(shí)還保持高能量密度。
研究者提出的方法是將PDMS基體做成具備很多表面的三維結(jié)構(gòu)?!袄脡K內(nèi)部含有大量小孔的方糖作為模板,PDMS進(jìn)入方糖內(nèi)部的孔隙中,形成個(gè)連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)狀基底,再鍍層薄薄的銅層以傳導(dǎo)電子。,再用鋰金屬充滿這些孔隙。PDMS作為種多孔的海綿狀層,能夠有減輕應(yīng)力并抑制枝晶生長”,姜漢卿解釋說。
該研究小組成員之、萊斯大學(xué)(RiceUniversity)的MingTang教授說:“通過與其他抑制鋰枝晶的方法相結(jié)合,比如新的電解液添加劑,這發(fā)現(xiàn)對于使鋰金屬電池成為種安、高密度、長期儲存能量的解決方案具有廣泛的意義。這種技術(shù)的潛在應(yīng)用范圍非常廣泛,從個(gè)人電子設(shè)備供電,到為電動汽車提供超長時(shí)動力,再到作為太陽能電網(wǎng)的備用電源?!?br />