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如何防止下一代锂电池短路林少兴

林少兴    
2022年07月04日

如何防止下一代锂电池短路

随着研究人员突破电池设计的界限,寻求将越来越多的功率和能量包装到给定的空间或重量中,正在研究的更有前途的技术之一是锂离子电池,两者之间使用固体电解质材料电极,而不是典型的液体。

但是,这样的电池已被一种趋势所困扰,这种趋势是在一个电极上形成称为树枝状晶体的金属的分支状突起,最终使电解质桥接并使电池单元短路。现在,麻省理工学院和其他地方的研究人员已经找到了防止这种枝晶形成的方法,从而有可能释放这种新型高功率电池的潜力

麻省理工学院研究生理查德·帕克,蒋尚明教授和克雷格·卡特教授以及麻省理工学院,德克萨斯农工大学,布朗大学和卡内基梅隆大学的其他七位学者在一篇论文《自然能源》中描述了这些发现。

Chiang解释说,固态电池一直是一项备受期待的技术,其原因有两个:安全性和能量密度。但是,他说:“只有达到理想的能量密度,才是使用金属电极的唯一途径。” 他说,尽管可以将金属电极与液体电解质耦合,并且仍然获得良好的能量密度,但这并不能提供与固体电解质相同的安全优势。

他说,固态电池仅对金属电极有意义,但树突的生长阻碍了开发此类电池的尝试,这些树突最终弥合了两个电极板之间的间隙并短路了电路,从而削弱了该电池的功能或使其失活。电池。

众所周知,当电流较高时,树枝状晶体会更快形成,这通常是可允许快速充电的理想条件。到目前为止,在实验性固态电池中实现的电流密度远远低于实用的商用可充电电池所需的电流密度。Chiang说,这一承诺值得追求,因为这种电池的实验版本可以储存的能量已经是传统锂离子电池的近两倍。

该团队通过在固态和液态之间折衷解决了树枝状晶体问题。他们制成了与固体电解质材料接触的半固体电极。半固体电极在界面处提供了一种自我修复的表面,而不是固体的脆性表面,后者可能导致微小的裂纹,从而为树突的形成提供了最初的种子。

这个想法是受实验性高温电池启发的,其中一个或两个电极由熔融金属组成。根据该论文的第一作者Park的说法,熔融金属电池的数百度温度对于便携式设备来说永远是不可行的,但是这项工作确实证明了液体界面可以实现高电流密度而不会形成枝晶。 。Park说:“这里的动机是开发基于精心选择的合金的电极,以引入可以用作金属电极自愈成分的液相。”

他解释说,这种材料比液体更坚固,但类似于牙科医生用来填充空腔的汞合金-固体金属,但仍然能够流动和成形。在电池工作的常温下,“它处于固相和液相的状态”,在这种情况下,它是由钠和钾的混合物制成的。研究小组证明,该系统可以以比使用固态锂大20倍的电流运行,而不会形成任何树枝状晶体,蒋说。下一步是用实际的含锂电极复制该性能。

在他们的固态电池的第二个版本中,该团队在固态锂电极和固态电解质之间引入了非常薄的液态钠钾合金层。他们表明,这种方法还可以克服枝晶问题,为进一步研究提供了另一种方法。

Chiang说,这种新方法很容易适应于世界各地研究人员正在研究的许多不同版本的固态锂电池。他说,该团队的下一步将是证明该系统对各种电池架构的适用性。

卡内基梅隆大学机械工程学教授合著者Viswanathan说:“我们认为我们可以将这种方法转化为任何固态锂离子电池。我们认为,这种方法可以立即用于各种电池的开发中。应用,从手持设备到电动汽车再到电动航空。”

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