研究人员研发出新型二维电池隔膜 可使锂金属电池寿命翻倍

放大  缩小 日期:2021-06-23     来源:盖世汽车    评论:0       [ 进入汽车材料社区 ] [ 汽车材料馆 ]
核心提示:【电池材料】传统锂离子电池的能量密度正不断接近饱和点,因此无法满足未来电动汽车等应用的需求。与锂离子电池相比,单位重量的锂金属电池可提供两倍的能量。但锂金属电池应用存在一个较大问题,其锂金属阳极上会形
  【电池材料】传统锂离子电池的能量密度正不断接近饱和点,因此无法满足未来电动汽车等应用的需求。与锂离子电池相比,单位重量的锂金属电池可提供两倍的能量。但锂金属电池应用存在一个较大问题,其锂金属阳极上会形成锂枝晶。这是一种很小的针状结构,形状与石洞穴中的石笋类似。这些枝状晶体会不断生长,直到刺穿隔膜,从而导致电池短路,最终损坏电池。

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(图片来源:耶拿弗里德里希席勒大学)

多年来,全球的专家一直在寻找解决此问题的方法。据外媒报道,近日,耶拿弗里德里希席勒大学(Friedrich Schiller University in Jena)的科学家与波士顿大学(BU)和韦恩州立大学(WSU)的同事成功阻止了锂金属电池中枝晶的形成,将该电池的寿命延长了一倍以上。

在电荷转移过程中,锂离子在阳极和阴极之间来回移动。每当它们获得一个电子时,它们就会沉积一个锂原子,而这些原子就会在阳极上积聚。在积聚处,晶体表面会三维生长,从而形成枝晶。该隔膜的孔隙会影响支晶成核。如果离子传输更均匀则可以避免枝晶成核。

耶拿大学的Andrey Turchanin教授解释说:“这也是为什么我们将极薄的碳制二维膜应用于隔膜中。碳制二维膜的孔径小于1纳米,小于临界核尺寸,因此可以防止枝晶成核。锂不再形成树枝状结构,而是作为光滑的薄膜沉积在阳极上。”这样做不仅不会破坏隔膜,且不会影响电池功能。

耶拿大学Antony Geore博士称:“为了对该方法进行测试,我们对装有混合隔膜的测试电池进行多次充电。结果发现,即使经过数百次充电和放电循环,也没有检测到任何树枝状生长。”

WSU的副教授Leela Mohana Reddy Arava表示:“新方法的关键创新在于无需改变当前电池的生产过程,仅通过超薄膜就可稳定电极/电解质界面。而界面稳定性是提高电化学系统性能和安全性的关键。”

与现代电动汽车(EV)电池同等重量/体积下,高能量密度电池延长了EV的续航里程,并使便携式电子设备在一次充电后的续航时间更长。WSU研究生Sathish Rajendran表示:“与电池其他组件相比,隔膜受到的关注最少,但隔膜上纳米厚的二维膜在影响着电池的寿命。”

研究团队相信此次发现可能会带来新一代锂电池,因此申请了专利。下一步他们将研究如何把二维膜应用整合到生产过程中。此外,研究人员还希望将这一发现应用于其他类型的电池。

 
 
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