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如何防止下一代鋰電池的短路?MIT找到了新方法

鉅大LARGE  |  點擊量:125次  |  2023年11月06日  

摘要
隨著研究人員不斷突破電池設計的界限,尋求在給定的空間或重量中裝入更多的功率和能量,正在研究的比較有前途的技術之一是鋰離子電池,它在兩個電極之間使用固體電解質材料,而不是典型的液體。 但這種電池一直受到一種趨勢的困擾,即在其中一個電極上形成樹

隨著研究人員不斷突破電池設計的界限,尋求在給定的空間或重量中裝入更多的功率和能量,正在研究的比較有前途的技術之一是鋰離子電池,它在兩個電極之間使用固體電解質材料,而不是典型的液體。


但這種電池一直受到一種趨勢的困擾,即在其中一個電極上形成樹枝狀的金屬突起,最終連接電解質,使電池短路?,F在,麻省理工學院和其他地方的研究人員已經找到了一種阻止這種樹突形成的方法,這可能會釋放這種新型高能電池的潛力。


這項研究結果發表在《自然能源》雜志上,由麻省理工學院研究生理查德·帕克、蔣慧明教授和克雷格·卡特教授,以及麻省理工學院、德克薩斯農工大學、布朗大學和卡內基梅隆大學的其他七人共同完成。


蔣解釋說,固態電池是一項長期尋求的技術,有兩個原因:安全性和能量密度。但是,他說,“要達到這種有趣的能量密度,唯一的方法是使用金屬電極?!彼f,雖然可以將金屬電極與液體電解質結合,仍然可以獲得良好的能量密度,但這不能提供與固體電解質相同的安全優勢。

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他說,固態電池只有在金屬電極上才有意義,但開發這種電池的嘗試一直受到樹突生長的阻礙,樹突最終會連接兩個電極板之間的間隙,導致電路短路,削弱或使電池中的細胞失去活性。


我們已經知道,當電流較高時,樹突形成得更快,這通常是為了快速充電所需要的。到目前為止,在實驗固態電池中所獲得的電流密度遠遠低于實際商業可充電電池所需要的電流密度。但蔣說,這個前景值得追求,因為這種電池的實驗版本可以存儲的能量已經是傳統鋰離子電池的兩倍。


該團隊通過在固態和液態之間做出妥協,解決了樹突的問題。他們制作了一個半固態電極,與固態電解質材料接觸。半固態電極在界面上提供了一種自愈合的表面,而不是固體的脆性表面,后者可能導致微小的裂紋,為樹晶形成提供最初的種子。


這個想法是受到實驗性高溫電池的啟發,這種電池的一個或兩個電極都由熔化的金屬組成。根據該論文的第一作者Park的說法,幾百度的熔融金屬電池不可能用于便攜式設備,但這項工作確實證明了液體界面可以實現高電流密度,而不會形成枝晶。Park說:“我們的動機是開發基于精心挑選的合金的電極,以便引入一種可以作為金屬電極自愈元件的液相?!?/p>


他解釋說,這種材料的固體性比液體性強,但與牙醫用來填充齲齒的汞齊合金相似,但仍然可以流動并形成形狀。在電池正常工作的溫度下,“它會處于一種同時存在固相和液相的狀態,”在這種情況下,固相是由鈉和鉀的混合物組成的。蔣說,研究小組證明,在20倍于使用固體鋰的電流下運行該系統是可能的,而不會形成任何樹突。下一步是用一個實際的含鋰電極來復制這種性能。

無磁低溫18650 2200mAh
-40℃ 0.5C放電容量≥70%

充電溫度:0~45℃
放電溫度:-40~+55℃
-40℃最大放電倍率:1C
-40℃放電容量保持率:0.5C放電容量≥70%

在第二個版本的固態電池中,該團隊在固態鋰電極和固態電解質之間引入了一層非常薄的液態鈉鉀合金。他們表明,這種方法也可以克服樹突問題,為進一步研究提供了另一種方法。


蔣說,這種新方法可以很容易地應用到許多不同版本的固態鋰電池上,目前世界各地的研究人員正在研究這種電池。他說,該團隊的下一步將是展示該系統在各種電池架構中的適用性。合著者維斯瓦納坦是卡內基梅隆大學機械工程教授,他說:“我們認為我們可以將這種方法轉化為任何固態鋰離子電池。我們認為它可以立即應用于電池開發,廣泛應用于手持設備、電動汽車和電動等領域?!?/p>


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