新技能get!如何给锂电池延长寿命并提升安全性?

2018-03-14  |  By Faye  |  In 技术

日前,亚利桑那州立大学(Arizona State University)的一项新研究发现,使用三维聚二甲基硅氧烷(PDMS)层作为电池中锂金属阳极的基体材料,能够有效地抑制锂枝晶的形成,从而大大地延长电池寿命,减少安全隐患。该研究于3月6日发表在最新的顶级期刊《自然·能源》(Nature Energy)上。

论文的首席研究员姜汉卿(Hanqing Jiang)教授说,这个发现对锂离子(lithium-ion)电池和锂空气(lithium-air)电池都有意义,并且对其他金属阳极电池也有很大的意义。因为几乎所有用作电池阳极的金属都会产生枝状晶体,比如,锌、钠和铝电池等。

姜汉卿称,他和研究团队并不是从材料或电化学的角度来解决这个问题的,而是从机械工程师的角度来寻找解决方案。他说,“已知的研究表明,微小的锡针或锡须(类似枝状晶体)在应力作用下会从锡金属的表面伸出,因此通过类比,我们研究了应力作为锂枝晶生长原因的可能性。”

图丨(a)电镀锂层过程中形成的压应力使得PDMS基底上的铜层产生褶皱变形;(b)PDMS基底的褶皱变形使得锂层中的应力得到释放,从而抑制枝晶的形成;(c)没有柔性PDMS基底的应力释放作用,锂金属表面形成枝状晶体

在第一轮研究中,研究者在电池的阳极底部加了一层柔性PDMS,发现锂枝晶的生长有明显的减少。研究者的分析表明,金属锂电极中累积的应力被PDMS基底以褶皱变形的形式所释放,而这种枝晶减少的趋势与此应力释放直接相关。

 “这是首次从实验上证明了残余应力在锂枝晶的形成中起着关键作用”,姜汉卿说。

图丨三维多孔镀铜PDMS基体的制作过程

除了研究锂枝晶的生长机制外,姜汉卿团队又进一步研究了如何利用这种现象(应力释放减少枝晶生长)来延长锂金属电池的寿命,同时还保持高能量密度。

与锡相比,锂的熔点更低(180.5 °C),也就是说锂原子在室温下更具流动性,如果有压力,原子更乐意移动,这就是为什么我们可以在数小时甚至几分钟内就看到树突形成的原因。

为了解决这项问题,团队找出一种能帮助抑制锂枝晶生成的技术,糖就在这里发挥角色功能。研究人员将糖块与一种液态硅胶聚二甲基矽氧烷(PDMS)一起注入基底,然后将糖溶解,留下只剩软硅胶的三维多孔结构,就像一块可能会塌陷变形的海绵,接着覆盖一层薄铜层以传导电子,最后用锂金属填充空洞。

团队于这种基底上测试,发现枝晶生长显著减少,这是因为糖溶解后,像“皱纹”的基底缓解了锂金属内部累积的压应力,电池测试也拥有 200 次循环后仍接近 98% 的库仑效率。研究目前还在持续进行,团队将对电池进行些许调整,以了解这种技术的电池是否能赶上商用门槛。

文章来源:DeepTech深科技

 



 

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