为了突破电池设计界限,在既定空间或重量中容纳越来越多的电力和能量,研究人员正在探讨一项更有前途的技术,在锂离子电池的两个电极之间采用固态电解质材料,而不是电解液。

 

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(图片来源:MIT)

 

然而,这类电池一直存在一个问题,即其中一个电极上会形成金属枝晶,最终连接电解质,使电池短路。据外媒报道,麻省理工学院(MIT)等院校的研究人员现已找到一种防止枝晶形成的方法,有望提升这种新型高功率电池的潜力。

 

麻省理工学院参与此项研究的人员包括研究生Richard Park、教授Yet-Ming Chiang和 Craig Carter等人,其余研究人员分别来自德克萨斯农工大学(Texas A&M University)、布朗大学(Brown University)和卡内基梅隆大学(Carnegie Mellon University)。

 

固态电池兼具安全性和能量密度,因此这一技术备受关注。但研究人员Yet-Ming Chiang表示:“唯一能实现能量密度的方法是使用金属电极。”将金属电极与液体电解质耦合,可以获得良好的能量密度,但比起固态电解质,无法获得相同的安全优势。固态电池只有使用金属电极才有意义,但这类电池的开发受到枝晶生长的阻碍,枝晶体最终会填充两个电极板之间的缝隙,导致电池短路。众所周知,在快速充电的情况下,通常电流越大,枝晶形成得越快。目前,实验固态电池所能达到的电流密度,远低于商用可充电电池的需求。但研究人员认为,其发展前景良好,因为这种实验版电池可以存储的能量几乎是传统锂离子电池的两倍。

 

该团队采取在固态和液态之间折衷的方法来解决枝晶问题。研究人员制作半固态电极,与固态电解质材料相接触。半固态电极可以在界面上提供一种自我修复表面,而不是固态脆性表面,后者可能导致微小的裂缝,为枝晶形成埋下伏笔。

 

这一灵感来自实验性的高温电池,其中一或两个电极由熔融金属构成。据介绍,这种熔融金属电池能达到数百摄氏度的温度,无法用于便携式设备。但通过这项工作确实可以看出,液体界面可以实现高电流密度,而不会形成枝晶。研究人员Richard Park表示:“出发点是开发基于精心挑选的合金的电极,以便引入一种可以作为金属电极的自我修复组件的液相。”

 

与其说这种材料是液体,不如说它是固体,但类似于牙医用来填充龋洞的汞合金固体金属,仍然能够流动和成形。在这种情况下,它由钠和钾的混合物制成,在正常的电池工作温度下,处于一种既有固相又有液相的状态。研究小组证明,在不形成任何枝晶的情况下,该系统的运行电流可能比使用固态锂大20倍。下一步将用实际的含锂电极来复制这种性能。

 

在第二个版本的固态电池中,研究小组在固态锂电极和固态电解质之间引入一层非常薄的液态钠钾合金。结果表明,该方法也能克服枝晶问题,为进一步研究提供了另一种途径。

 

研究人员表示,这种新方法适用于很多不同版本的固态锂电池。该团队下一步将展示该系统对各种电池架构的适用性。


来源:盖世汽车
作者:Elisha