圖片來(lái)源:Peng Bai
隨著人們對(duì)小型電器的需求與日俱增,我們希望電池的待機(jī)時(shí)間更長(zhǎng)久。但是這面臨著一個(gè)難題。
為了制造長(zhǎng)壽命的電池,電池需要被制作的更大,但是對(duì)于手機(jī)或電動(dòng)汽車來(lái)講,電池的占地體積太大并不是什么好事。更不用說用在醫(yī)療領(lǐng)域的心臟起搏器了,我們肯定是希望電池很小,但是可以工作的時(shí)間卻是很長(zhǎng)久的。
鋰離子電池的聲譽(yù)已經(jīng)沒有那么高了:例如那些手機(jī)爆 炸和飛機(jī)起 火事件。除了這些存在的安全問題,當(dāng)研究人員試圖在不影響鋰離子電池性能的情況下而縮小化這些電池時(shí),結(jié)果發(fā)現(xiàn)這些電池會(huì)變得更加不穩(wěn)定并且容易發(fā)生短路。工程師們目前還無(wú)法解決這些問題。
位于圣路易斯的華盛頓大學(xué)的研究人員對(duì)上述這些問題的原因有新的見解,該見解為日后更小,更安全,能量更密集的電池的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。他們的這一科研成果近期發(fā)表在了“Joule”期刊上。
工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院助理教授Peng Bai已經(jīng)在這些高能量鋰金屬電池方面確定了三個(gè)關(guān)鍵的臨界電流。事實(shí)證明,工程師們一直在尋找解決這三個(gè)問題的方案。
鋰離子電池由三層構(gòu)成:一層為陽(yáng)極用的低壓材料(石墨);一層為陰極用的高壓材料(鈷酸鋰);一層為多孔塑料,將陰、陽(yáng)兩極分開。
隔膜被液體電解質(zhì)潤(rùn)濕。當(dāng)電池放電時(shí),鋰離子從陽(yáng)極排出,通過液體電解質(zhì),并進(jìn)入陰極。隨著電池充電,該過程相反。
Bai說:“有一半的鋰離子電極材料在任何時(shí)候都是空的,這樣的話就浪費(fèi)了一半的空間。”
工程師們已經(jīng)知道,他們可以制造出一種能量更密集的電池(具有類似輸出功能的更小的電池),方法是放棄一半主機(jī)材料總是空的部分的自重。通過去除石墨陽(yáng)極,然后在充電過程中用電子還原鋰離子,這一過程形成了鋰金屬的薄鍍層。
Bai說:“但是也存在鋰金屬鍍層不均勻的現(xiàn)象。有時(shí)候它可能會(huì)長(zhǎng)成手指狀。”
研究人員稱這些“手指狀”物質(zhì)為“樹突”。當(dāng)它們從鋰金屬電鍍中擴(kuò)散時(shí),它們可以穿透電池中的隔膜,導(dǎo)致短路。
但并非所有的“手指狀”物質(zhì)都是一樣的。“如果你將他們所有都?xì)w為一類樹突,然后尋找一種解決方案來(lái)解決實(shí)際上三個(gè)問題,這是不可能的。” Bai說。“這就是為什么經(jīng)過這么多年這個(gè)鋰負(fù)極安全問題從未得到解決的真正原因。”
他的團(tuán)隊(duì)在這些鋰金屬陽(yáng)極中發(fā)現(xiàn)了三種不同類型的樹突或生長(zhǎng)模式。他們還概述了當(dāng)前每種樹突增長(zhǎng)模式的出現(xiàn)。
“如果你使用非常高的電流,它會(huì)在尖端形成一個(gè)樹狀結(jié)構(gòu)。”Bai說。那些是“真的枝狀物”。
低于電流的下限,就會(huì)從根部開始生長(zhǎng)出胡須狀的鋰枝晶。在這兩個(gè)極限內(nèi),存在從晶須到樹枝狀晶體的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)變,Bai稱之為“表面生長(zhǎng)”。這些增長(zhǎng)都與液體電解質(zhì)和金屬沉積物之間的區(qū)域中的競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)有關(guān)。
該研究發(fā)現(xiàn),納米多孔陶瓷隔膜可以阻擋晶須的生長(zhǎng)直到某個(gè)電流密度值。超過該電流密度值之后,“表面生長(zhǎng)”會(huì)緩慢的滲透到隔膜中。電流足夠強(qiáng)大時(shí),就會(huì)形成“真枝狀物”,這種真枝狀的枝晶可以容易且非?斓卮┩父裟ひ允闺姵囟搪贰
在這一點(diǎn)上,Bai說:“我們獨(dú)特的透明電池顯示電池的電壓看起來(lái)很正常,即使隔板已被鋰金屬絲穿透。如果沒有看到內(nèi)部發(fā)生的情況,你很容易被看似合理的電壓愚弄,但是,事實(shí)上你的電池已經(jīng)失敗了。”
為了構(gòu)建具有鋰金屬陽(yáng)極的安全,高效,可靠的電池,需要通過三種不同的方法來(lái)控制鋰負(fù)極凸起物的三種生長(zhǎng)模式。
考慮到消費(fèi)者需要能夠儲(chǔ)存更多能量的電池,并且同時(shí)希望它們更快地充電,這將是一個(gè)挑戰(zhàn)。這兩者的結(jié)合不可避免地產(chǎn)生越來(lái)越高的充電電流,這種大電流可能會(huì)超過Bai的團(tuán)隊(duì)所確定的臨界電流之一。
而且,電池會(huì)降解。當(dāng)它們出現(xiàn)時(shí),為新電池確定的臨界電流不再適用;電流閾值變得更低。此時(shí),給定相同的快速充電電流,電池短路的可能性更高。
Bai說:“在非常廣泛的電流范圍內(nèi),電池的運(yùn)行是高度動(dòng)態(tài)的。然而它的性能在循環(huán)壽命中變化很大。”這就是我們必須要用三個(gè)方案解決問題的原因。
(責(zé)任編輯:子蕊)