鋰金屬
電池生長(zhǎng)枝晶(圖片來(lái)源:哥倫比亞大學(xué))
電動(dòng)汽車(chē)(EV)對(duì)于實(shí)現(xiàn)可持續(xù)性節(jié)能未來(lái)至關(guān)重要,但是此類(lèi)車(chē)輛的局限性之一是缺乏持久、高能量密度的電池,以減少長(zhǎng)途旅行中的燃料需求。與此同時(shí),在停電或電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí),家庭生活中也遇到了這一挑戰(zhàn),目前市場(chǎng)上沒(méi)有小型高效的電池,能夠在家庭沒(méi)有電的情況下,為家庭供電一個(gè)多晚上。下一代鋰離子電池將是一種輕量化、持久且低成本的儲(chǔ)能設(shè)備,能夠給該行業(yè)帶來(lái)革新,但是目前仍面臨著許多挑戰(zhàn)阻礙其實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。
此類(lèi)電池的主要問(wèn)題是,盡管可充電鋰金屬陽(yáng)極在讓新款鋰電池的表現(xiàn)更好方面扮演著一個(gè)關(guān)鍵角色,但是在充放電過(guò)程中,此類(lèi)陽(yáng)極極易生長(zhǎng)枝晶,此種微結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致電池短路、起火,甚至爆炸。
據(jù)外媒報(bào)道,當(dāng)?shù)貢r(shí)間11月4日,美國(guó)哥倫比亞大學(xué)工程學(xué)院(Columbia Engineering)報(bào)告表示,他們發(fā)現(xiàn)鉀離子等堿金屬添加劑能夠防止此類(lèi)鋰枝晶在電池內(nèi)擴(kuò)散。研究人員結(jié)合使用顯微鏡、核磁共振(類(lèi)似于MRI)和計(jì)算模型發(fā)現(xiàn),在傳統(tǒng)鋰電池電解質(zhì)中添加少量鉀鹽會(huì)在鋰/電解質(zhì)界面上產(chǎn)生獨(dú)特的化學(xué)反應(yīng)。
利用核磁共振成像和計(jì)算機(jī)模擬了解鋰金屬陽(yáng)極表面分子的反應(yīng)性和結(jié)構(gòu)(圖片來(lái)源:哥倫比亞大學(xué))
該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn),堿金屬添加劑抑制了此種非導(dǎo)電化合物(枝晶)在鋰金屬表面生長(zhǎng),這與傳統(tǒng)的電解質(zhì)操控方法不同,后者關(guān)注于在金屬表面沉積的導(dǎo)電聚合物。該項(xiàng)研究首次采用了核磁共振對(duì)金屬鋰表面進(jìn)行深入表征,并證明了此種技術(shù)在設(shè)計(jì)新型鋰金屬電池電解質(zhì)方面的能力。此外,卡內(nèi)基梅隆大學(xué)機(jī)械工程系Viswanathan小組也與哥倫比亞大學(xué)合作,利用密度泛函理論計(jì)算結(jié)果補(bǔ)充了哥倫比亞大學(xué)的研究成果。
研究人員表示:“商用電解質(zhì)是由精心挑選的分子組成的混合物,采用核磁共振和計(jì)算機(jī)模擬技術(shù),我們能夠最終了解此類(lèi)獨(dú)特的電解質(zhì)配方如何在分子水平上提高了鋰金屬電池的性能,這一發(fā)現(xiàn)最終也為研究人員提供了工具,讓他們能夠優(yōu)化電解質(zhì)設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的鋰金屬電池。”
目前,該團(tuán)隊(duì)正在測(cè)試能夠阻止鋰金屬表面形成有害沉積物的堿金屬添加劑,同時(shí)測(cè)試能夠促進(jìn)鋰金屬表面導(dǎo)電層生長(zhǎng)的更加傳統(tǒng)的添加劑。此外,研究人員還在積極采用核磁共振技術(shù)以直接測(cè)量鋰離子透過(guò)該表層的傳輸速率。
(責(zé)任編輯:子蕊)