圖片來源:岡山大學(xué)
鋰離子
電池是非常常見的可充電
電池,功能多樣,且可應(yīng)用于手機(jī)、汽車等各種電子設(shè)備中。不過,它也有缺點(diǎn),與鋰離子電池有關(guān)的起火事件頻發(fā),也引起人們對(duì)其是否具有安全性產(chǎn)生擔(dān)憂,F(xiàn)在,科學(xué)家們了解到,可能是因采用了破損或未經(jīng)授權(quán)的充電器造成起火事件。通常,充電器使用不當(dāng)以及電池過度充電就會(huì)導(dǎo)致電池的負(fù)極上形成一種尖尖的結(jié)構(gòu),稱為“鋰枝晶”(樹突),能夠穿破負(fù)極與正極之間的屏障,導(dǎo)致電池短路。因此,準(zhǔn)確地了解到此類樹突是如何形成的,對(duì)于提高鋰離子電池的安全性至關(guān)重要。
據(jù)外媒報(bào)道,日本岡山大學(xué)(Okayama University)的科學(xué)家在副教授Kazuma Gotoh的帶領(lǐng)下,在了解樹突如何形成方面邁出了重要一步。他們研究了鋰離子電池中樹突形成的確切機(jī)制,并克服此類限制,從而讓鋰離子電池能夠更好地得到實(shí)際應(yīng)用。
此前有關(guān)理解鋰枝晶(樹突)形成過程的研究在一定程度上是成功的:揭示了當(dāng)電池過度充電時(shí),在電池循環(huán)的過度鋰化階段,就會(huì)形成樹突。但是,此類實(shí)驗(yàn)都是在實(shí)際電化學(xué)環(huán)境之外(非現(xiàn)場(chǎng)原位)進(jìn)行的,因此沒有發(fā)現(xiàn)樹突開始形成的確切時(shí)間。在此次研究中,Gotoh博士與其團(tuán)隊(duì)決定克服這一限制。他們認(rèn)為,通過利用現(xiàn)場(chǎng)原位法(復(fù)制電化學(xué)環(huán)境),應(yīng)用一種稱為核磁共振(NMR)的分析技術(shù),可以精確地跟蹤材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的鋰原子,而此種做法在使用非原位法時(shí)根本無法進(jìn)行。
利用此種方法,該團(tuán)隊(duì)曾成功在鋰離子電池的過度鋰化階段,觀察到石墨電極和硬碳電極(兩種負(fù)極)的過度充電狀態(tài)。在新研究中,研究人員在鋰化和脫鋰過程(電池充放電循環(huán))中,觀察到此類電極的狀態(tài)。NMR分析幫助研究人員追蹤過度充電的電池上枝晶(樹突)開始形成以及鋰開始沉積的確切時(shí)間。在石墨電極中,研究人員發(fā)現(xiàn)鋰枝晶(樹突)是在電極完全鋰化不久后形成的。在硬碳電極中,研究人員觀察到,只有在硬碳的孔隙中出現(xiàn)準(zhǔn)金屬鋰簇后,才會(huì)形成枝晶(樹突)。因此,研究人員推斷,當(dāng)電池被過度充電時(shí),準(zhǔn)金屬鋰簇的形成對(duì)鋰枝晶的形成起到緩沖作用。他們甚至對(duì)鈉離子電池也進(jìn)行了同樣的分析,并發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)果。Gotoh博士解釋道:“我們發(fā)現(xiàn)有些內(nèi)部有孔的碳材料(如無定形碳)在電池過度充電時(shí),可以對(duì)鋰和鈉枝晶的沉積起到緩沖作用,這對(duì)于確保鋰離子電池和鈉離子電池的安全性至關(guān)重要。”
Gotoh博士與其團(tuán)隊(duì)揭示了鋰離子電池和鈉離子電池枝晶(樹突)的形成機(jī)制,對(duì)確保電池的安全性提供了有用的見解。事實(shí)上,這些科學(xué)家對(duì)未來可以將此類發(fā)現(xiàn)應(yīng)用于其他類型的可充電電池持樂觀態(tài)度。Gotoh博士表示:“我們的發(fā)現(xiàn)不僅可應(yīng)用于鋰離子電池和鈉離子電池,還可用于下一代二次電池,如全固態(tài)電池。”
(責(zé)任編輯:子蕊)