(圖片來(lái)源:加州理工學(xué)院)
幾乎很多人都遇到手機(jī)沒(méi)電又無(wú)處可充電的窘境,而且雖然電動(dòng)汽車(chē)越來(lái)越受歡迎,但也受到
電池對(duì)續(xù)航的制約。的確,
電池的能量密度,即在給定的質(zhì)量或體積中,電池所能容納的能量,一直是消費(fèi)電子產(chǎn)品、電動(dòng)汽車(chē)以及可再生能源所面臨的主要挑戰(zhàn)。
不過(guò),據(jù)外媒報(bào)道,美國(guó)加州理工學(xué)院(Caltech)的新研究可以會(huì)帶來(lái)一些改變。研究人員的一項(xiàng)新發(fā)現(xiàn)可能會(huì)實(shí)現(xiàn)更安全、更強(qiáng)大的電池,讓電池可以安全地多存儲(chǔ)50%的能量。
傳統(tǒng)的鋰離子電池都利用石墨制陽(yáng)極,也就是電流進(jìn)入電池的那一頭電極。30多年來(lái),石墨一直被選作陽(yáng)極材料,因?yàn)橹亓枯p、穩(wěn)定且成本低廉,還能夠忍受無(wú)數(shù)次的電池充放電循環(huán)。但是,加州理工學(xué)院的研究人員表示,其實(shí)有更好的材料來(lái)做電池陽(yáng)極,只是需要克服一些技術(shù)上的挑戰(zhàn)。
研究人員表示:“每一種需要電力的應(yīng)用都可從鋰陽(yáng)極,而不是石墨陽(yáng)極中受益,因?yàn)殇囮?yáng)極可以提供更多的電力。鋰的重量輕,不會(huì)占用很多空間,而且能量密度極大。”
不過(guò),金屬鋰也存在一個(gè)問(wèn)題:當(dāng)電池經(jīng)過(guò)多次充放電循環(huán)時(shí),鋰會(huì)自然地形成樹(shù)突,此種晶體會(huì)形成一種樹(shù)枝狀的結(jié)構(gòu)。在電池充電過(guò)程中,樹(shù)突會(huì)不受控制地生長(zhǎng),當(dāng)樹(shù)突刺穿電池系統(tǒng)時(shí),就會(huì)像短路的細(xì)小電線一樣,讓電池失效。
長(zhǎng)久以來(lái),研究人員一直在尋找新方法來(lái)防止樹(shù)突生長(zhǎng)。其中一個(gè)方法是利用物理方法,將某種物質(zhì)擠壓在鋰金屬上,以壓制樹(shù)突生長(zhǎng)。雖然一般鋰離子電池?fù)碛幸后w電解質(zhì)(分開(kāi)兩個(gè)電池電極,并通過(guò)其移動(dòng)鋰離子的物質(zhì)),但從理論上講,采用固體電解質(zhì)的電池才可以施加足夠的機(jī)械壓力來(lái)抑制樹(shù)突。
不過(guò),在研究了固體電解質(zhì)電池后,發(fā)現(xiàn)樹(shù)突仍在生長(zhǎng)。
研究人員懷疑是固體電解質(zhì)的強(qiáng)度不足,不足以抵抗樹(shù)突生長(zhǎng),因?yàn)檠芯咳藛T低估了樹(shù)突的強(qiáng)度,雖然樹(shù)突的尺寸只有納米大小。而之所以得出此種估計(jì)是因?yàn)殇囀且环N相對(duì)柔軟的金屬,可與鉛和錫媲美。最后,研究人員發(fā)現(xiàn)尺寸更小的金屬的強(qiáng)度可能是尺寸更大的金屬的100倍。
2015年,研究人員雕刻了鋰柱,并測(cè)試了其彈性,發(fā)現(xiàn)強(qiáng)度比人們認(rèn)為的要高一個(gè)數(shù)量級(jí)。不過(guò),該實(shí)驗(yàn)裝置并沒(méi)有完全反映出鋰樹(shù)突在真正電池中的表現(xiàn)。為了更準(zhǔn)確地模擬此種情況,研究人員還設(shè)計(jì)了一種可以生長(zhǎng)純鋰樹(shù)突的電池,此種樹(shù)突與電池中形成的樹(shù)突非常相似。最終發(fā)現(xiàn),此類樹(shù)突的強(qiáng)度是大塊鋰樹(shù)突的24倍。
有了上述信息,研究人員現(xiàn)在對(duì)如何讓鋰陽(yáng)極電池工作有了更好的理解。通常情況下,用于固體電解質(zhì)的材料,如聚合物和陶瓷,都有缺點(diǎn)。大多數(shù)聚合物都太軟,無(wú)法承受樹(shù)突生長(zhǎng),而陶瓷在樹(shù)突的壓力下容易破裂。
(責(zé)任編輯:子蕊)