研究人员利用类似补牙的材料来保证固态锂电池的性状稳定

(来自:MIT

近年来,许多研究团队都在努力为锂电池寻找性能更加优异的固态电解质和电极材料。本文要为大家介绍的,就是麻省理工团队开发的一款原型固态电池。特点是借助新型自修复材料,克服了该领域的一些关键难点,为其赋予了稳定的高容量存储前景。

据悉,在当今的锂离子电池中,随着充放电循环的持续,液态电解质会在阴阳两极之间来回携带锂离子。

然而正如上图所展示的那样,位于固体电解质的灰色圆盘上的金属电极(带有纹理的内圈部分),正在其表面上形成让锂电池研究人员头疼不已的枝晶。

研究配图 – 1:化学电池研究概况

随着枝晶的生长,电池的寿命和效能都会受到极大的影响,甚至有发生短路失效和起火的风险。

但若能够将电解质换成固体材料,不仅可以让电池变得更加安全,还可达成更高的能量密度。

研究配图 – 2:固体电解质的表面光洁度和微观结构

此前的研究中,已有不少团队的实验电池能够实现两倍于当前锂离子电池的能量密度。

现在,来自麻省理工学院、得克萨斯州农工大学、布朗大学、以及卡内基梅隆大学的研究团队,已经提出来一种相当有希望的新解决方案。

研究配图 – 3:固体电解质的金属渗透

据悉,研究人员开发出了一种由钠-钾合金制成的半固态金属电极,并将之比作牙医的补漏材料。在具有牢固特性的同时,这种新型材料还能够流动和成型。

在加入了适量的材料后,它能够在与固态电解质接触时避免形成微小的裂纹(通常出现在纯固态但较脆的电极材料中)和枝晶。

研究配图 – 4:电极与电解质表面发生了短路故障

剩下的事情,就是找到精心挑选的合金电极,以便引入可用作金属电极自愈成分的液相材料。

随着电池的循环使用,工作温度可让材料保持在正确的半固相状态,以适应高达 20 倍的电流、而不会形成枝晶。

研究配图 – 5:单相固态金属和半固态合金的面积容量

当前研究人员已经提供了两种避免枝晶形成的设计思路,其一是将固态电解质与电极直接接触、另一种则是将液态金属合金夹在两者中间。

有趣的是,研究人员还提出了第三种方案,通过将液态钠-钾合金薄膜集成到电池中、然后将其夹在固体电极和固体电解质之间,竟然也有助于防止枝晶的形成。

研究配图 – 6:新材料对化学电池和碱金属屈服应力的影响

研究合著者、卡内基梅隆大学机械工程学教授 Venkatasubramanian Viswanathan 对这项技术的未来前景表示相当乐观:

“我们认为可将这套方案转化并用于任何固态锂离子电池,并且涵盖从手持设备、EV 动力电池、以及电动航空等广泛的领域”。

研究配图 – 7:半固态碱金属电极的成分设计

有关这项研究的详情,已经发表在近日出版的《自然能源》(Nature Energy)期刊上。

原标题为《Semi-solid alkali metal electrodes enabling high critical current densities in solid electrolyte batteries》。

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