锂金属电池重大突破:10分钟完成充电 可循环至少6000次!
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2024-04-26 19:05:01
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  近期,美国哈佛大学工程与应用科学学院(Harvard John A. Paulson School Of Engineering And Applied Sciences,简称SEAS)的研究人员开发了一种新型锂金属电池,可以充放电循环至少6000次,比任何其他袋式电池都要多,而且可以在几分钟内完成充电。

  这项研究不仅描述了一种用锂金属阳极制造固态电池的新方法,而且为这些潜在的革命性电池的材料提供了新的认识。最新研究成果已于近期发表在了《自然材料》杂志上。

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  SEAS材料科学副教授、该论文的资深作者Xin Li说,“锂金属阳极电池被认为是电池的圣杯,因为它们的容量是商用石墨阳极的十倍,可以大大增加电动汽车的行驶距离。我们的研究是朝着工业和商业应用中更实用的固态电池迈出的重要一步。”

  众所周知,设计这些电池的最大挑战之一是阳极表面枝晶的形成。这些结构像根一样生长在电解液中,并刺穿分离阳极和阴极的屏障,导致电池短路甚至着火。

  2021年,Li和他的团队通过设计一种多层电池,在阳极和阴极之间夹入不同稳定性的不同材料,提供了一种处理枝晶的方法。这种多层、多材料的设计不是通过完全阻止锂枝晶的渗透,而是通过控制和包含它们来阻止锂枝晶的渗透。

  在这项新研究中,该团队通过在阳极中使用微米大小的硅颗粒来收缩锂化反应,并促进厚层锂金属的均匀电镀,从而阻止枝晶的形成。

  在这种设计中,当锂离子在充电过程中从阴极移动到阳极时,锂化反应在浅表面受到限制,离子附着在硅颗粒的表面,但不会进一步渗透。

  这与液态锂离子电池的化学性质明显不同,液态锂离子通过深度锂化反应渗透,最终破坏阳极中的硅颗粒。而在固态电池中,硅表面的离子被压缩,并经历锂化的动态过程,在硅芯周围形成锂金属镀层。

  Li说,“在我们的设计中,锂金属被包裹在硅颗粒周围。这些被涂覆的颗粒形成了一个均匀的表面,电流密度均匀分布,防止了枝晶的生长。而且,由于电镀和剥离可以在平坦的表面上快速发生,电池只需10分钟即可完成充电。”

  在实验中,研究人员制造了一个邮票大小的袋式电池,比大多数大学实验室制造的硬币电池大10到20倍。这种电池在6000次循环后仍能保持80%的容量,优于当今市场上的其他袋式电池。

  据悉,这项技术已经通过哈佛技术发展办公室授权给电池技术公司Adden Energy。该公司已将这项技术扩大到制造智能手机大小的袋式电池。

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