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研究人員研發(fā)出新型二維電池隔膜 可使鋰金屬電池壽命翻倍
時(shí)間:2021-06-23 08:36來源:蓋世汽車 作者:劉麗婷
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（圖片來源：耶拿弗里德里希席勒大學(xué)）
傳統(tǒng)鋰離子電池的能量密度正不斷接近飽和點(diǎn)，因此無法滿足未來電動(dòng)汽車等應(yīng)用的需求。與鋰離子電池相比，單位重量的鋰金屬電池可提供兩倍的能量。但鋰金屬電池應(yīng)用存在一個(gè)較大問題，其鋰金屬陽極上會(huì)形成鋰枝晶。這是一種很小的針狀結(jié)構(gòu)，形狀與石洞穴中的石筍類似。這些枝狀晶體會(huì)不斷生長，直到刺穿隔膜，從而導(dǎo)致電池短路，最終損壞電池。
多年來，全球的專家一直在尋找解決此問題的方法。據(jù)外媒報(bào)道，近日，耶拿弗里德里希席勒大學(xué)（Friedrich Schiller University in Jena）的科學(xué)家與波士頓大學(xué)（BU）和韋恩州立大學(xué)（WSU）的同事成功阻止了鋰金屬電池中枝晶的形成，將該電池的壽命延長了一倍以上。
在電荷轉(zhuǎn)移過程中，鋰離子在陽極和陰極之間來回移動(dòng)。每當(dāng)它們獲得一個(gè)電子時(shí)，它們就會(huì)沉積一個(gè)鋰原子，而這些原子就會(huì)在陽極上積聚。在積聚處，晶體表面會(huì)三維生長，從而形成枝晶。該隔膜的孔隙會(huì)影響支晶成核。如果離子傳輸更均勻則可以避免枝晶成核。
耶拿大學(xué)的Andrey Turchanin教授解釋說：“這也是為什么我們將極薄的碳制二維膜應(yīng)用于隔膜中。碳制二維膜的孔徑小于1納米，小于臨界核尺寸，因此可以防止枝晶成核。鋰不再形成樹枝狀結(jié)構(gòu)，而是作為光滑的薄膜沉積在陽極上。”這樣做不僅不會(huì)破壞隔膜，且不會(huì)影響電池功能。
耶拿大學(xué)Antony Geore博士稱：“為了對(duì)該方法進(jìn)行測(cè)試，我們對(duì)裝有混合隔膜的測(cè)試電池進(jìn)行多次充電。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，即使經(jīng)過數(shù)百次充電和放電循環(huán)，也沒有檢測(cè)到任何樹枝狀生長。”
WSU的副教授Leela Mohana Reddy Arava表示：“新方法的關(guān)鍵創(chuàng)新在于無需改變當(dāng)前電池的生產(chǎn)過程，僅通過超薄膜就可穩(wěn)定電極/電解質(zhì)界面。而界面穩(wěn)定性是提高電化學(xué)系統(tǒng)性能和安全性的關(guān)鍵。”
與現(xiàn)代電動(dòng)汽車（EV）電池同等重量/體積下，高能量密度電池延長了EV的續(xù)航里程，并使便攜式電子設(shè)備在一次充電后的續(xù)航時(shí)間更長。WSU研究生Sathish Rajendran表示：“與電池其他組件相比，隔膜受到的關(guān)注最少，但隔膜上納米厚的二維膜在影響著電池的壽命。”
研究團(tuán)隊(duì)相信此次發(fā)現(xiàn)可能會(huì)帶來新一代鋰電池，因此申請(qǐng)了專利。下一步他們將研究如何把二維膜應(yīng)用整合到生產(chǎn)過程中。此外，研究人員還希望將這一發(fā)現(xiàn)應(yīng)用于其他類型的電池。
(責(zé)任編輯：子蕊)
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