锂电关键缺陷有望被击破!MIT科学家利用机械应力巧妙解决……

黄君芝2022-11-24 07:42

电池研究领域充满了障碍和瓶颈,但有一个问题比大多数问题都突出。枝晶生长一直困扰着下一代电池的设计,但麻省理工学院(MIT)领导的一项新研究声称,他们已经发现了问题的根源,并展示了如何消除这个问题的解决方案。

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生长,并且蜿蜒进入电解液,可能导致短路、意外升温甚至起火等问题。目前,各国科研工作者已经找到各种各样的抑制枝晶生长的创造性方法,但麻省理工的科学家认为,他们为这个问题带来了根治性解决方案。

固态电池上的试验

据悉,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色,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,在这种情况下,锂离子通过固体电解质。

研究人员发现,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,非常柔软的锂仍能够穿透它。这是电极在吸收和沉积锂时体积变化的结果,这反过来会导致机械应力问题。

MIT教授Yet-Ming Chiang说,“为了沉积这种金属,其体积必须扩大,因此锂沉积电池一侧的体积增加了。如果存在微小的缺陷,使用时这些缺陷就会承受压力,从而导致开裂。”

以机械应力来引导枝晶生成

根据研究人员的说法,这些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,而在过去的大多数实验中,科学家们只能在不透明的材料中研究这一过程。而这一次,由于能够直接观察到这种现象,MIT的研究人员就想出了新的方法来防止枝晶造成损害。

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在后续的实验中,研究小组表明,通过施加机械应力来“引导”枝晶的生长是可能的,使它们完全与压力的方向一致。虽然不能完全阻止它们的形成,但这确实意味着它们可能会在电极中向远处生长,不对电解质造成破坏。

该团队通过使用机械压力来弯曲材料,以此来证明这一点,并设计出在商用电池中实现这一点的几种方法。该装置可以结合具有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。

而且更重要的是,控制枝晶生长所需压力,大约在150到200兆帕斯卡,目前是可以实现的。

这项研究成果已于近期发表在了《焦耳》杂志上。

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他们还指出,如果他们能做到这一点,并设计出一种电池克服枝晶生长的环境,那将开启非常有前途的下一代电池架构,如固态锂金属电池。纯金属锂取代石墨和铜作为阳极之一,可以提供几倍于现在电池的能量密度,同时也更轻更安全,因为它们不使用易燃液体作为电解质。

来源:财联社

作者:黄君芝

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