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液体电极层可以提高电池充电性能

放大字体  缩小字体 发布日期:2021-10-28
 

在锂阳极和固体电解质之间放置一层液态金属显示固态电池充电的改进。

任何关注固态锂金属电池发展的人都知道在充电过程中会遇到很多挑战。这些电池中的阳极(负极)由一层薄锂金属箔组成,这一层薄锂金属箔提供的锂离子比锂离子电池使用中的石墨阳极多的多,因此会产生更高的能量显示密度。在充电过程中,锂针状枝晶覆盖在锂金属表面。这些针状树突的锂枝晶的扩散会导致电池短路,引起火灾。

固态电池

电池的固态部分来自固态聚合物或陶瓷电解液材料,可以抑制锂针状枝晶扩散。这已经取得了部分成功,但树突的生长仍给设计造成长期困扰。未来电动汽车(EV)是需要快速直流充电的。不幸的是,树突的生长随着更快速的充电而迅速增长,到目前为止这个问题在很大程度上阻碍了实用固态锂电池的大规模商业化。

研究人员在提高电池性能这方面努力解决问题。一组研究团队中的科学家是由麻省理工大学(MIT),得克萨斯农工大学(TAMU),布朗大学(Brown University)与卡内基梅隆大学(CMU)组成的,最近在对锂金属阳极表面的使用一层液体金属电极材料薄膜进行研究。

液体金属电极

该研究团队在高温电池实验中,使用融化的金属电极受到启发。这些电池是在几百度高温下工作,所以在便携式电池驱动设备或电动汽车上是不适用的。然而,这些电池可以在高电流的情况下进行充电,而不形成有害树突。MIT毕业学生Richard Park在新闻发布会中说道:“开发电极的动机是基于精心挑选的合金电极,是为了在引入液体阶段作为金属电极的自愈成分。”

为了提供相似的液体-固体界面,该研究团队开发了一个半固体电极,放置于锂金属阳极与固体电解质材料之间。这个半固体电极提供了一个可以自愈的表层,同时也有助于防止脆性电解质表面出现微小裂纹,从而为树突生长提供场所。半固体电极的材料是由钠和钾组成的,与牙医用来填补蛀洞的固体金属混合物相似,但仍然能够流动和成形。

根据新闻消息,该研究团队能够在液体金属界面上在运行系统时可以使用比固态锂金属大20倍的电流,而不会形成任何树突的锂枝晶。

研究团队认为这种新的方法可以适应不同版本和结构的固态锂电池。其中一位研究员CMU机械工程教授Venkatasubramanian Viswanathan说:“我们认为我们可以将这种方法用到任意固态锂离子电池上。该方法可以立即用于电池开发,扩大应用的发展,从手持设备到电动汽车再到电动航空。”

现在判断在锂金属阳极与固态电解质之间液体金属层是一个突破还是仅仅是向固态锂电池发展的又一步,还为时尚早。通过关注金属电极特性,而不仅仅关注是固体电解质的性质,这项研究可能会激发进一步的创新。

中国化学与物理电源行业协会 杨柳翻译

2021.9.9

 
关于我们:中国化学与物理电源行业协会(China Industrial Association of Power Sources,缩写:CIAPS) 是由电池行业企(事)业单位自愿组成的全国性、行业性、非营利性的社会组织。协会成立于1989年12月,现有530多家会员单位,下设碱性蓄电池与新型化学电源分会、酸性蓄电池分会、锂电池分会、太阳能光伏分会、干电池工作委员会、电源配件分会、移动电源分会、储能应用分会、动力电池应用分会和电池隔膜分会等十个分支机构。
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