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锂离子电池如何延长寿命并提升安全性
锂离子电池如何延长寿命并提升安全性
  • 发布时间:2020-12-15 16:42

锂离子电池如何延长寿命并提升安全性

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日前,亚利桑那州立大学(ArizonaStateUniversity)的一项新研究发现,使用三维聚二甲基硅氧烷(PDMS)层作为电池中锂金属阳极的基体材料,能够有效地抑制锂枝晶的形成,从而大大地延长电池寿命,减少安全隐患。该研究于三月六日发表在最新的优秀期刊《自然能源》(NatureEnergy)上。


论文的首席研究员姜汉卿(HanqingJiang)教授说,这个发现对锂离子(lithium-ion)电池和锂空气(lithium-air)电池都有意义,并且对其他金属阳极电池也有很大的意义。因为几乎所有用作电池阳极的金属都会出现枝状晶体,比如,锌、钠和铝电池等。


姜汉卿称,他和研究团队并不是从材料或电化学的角度来解决这个问题的,而是从机械工程师的角度来寻找解决方法。他说,已知的研究表明,微小的锡针或锡须(类似枝状晶体)在应力用途下会从锡金属的表面伸出,因此通过类比,我们研究了应力作为锂枝晶生长原因的可能性。


电镀锂层过程中形成的压应力使得PDMS基底上的铜层出现褶皱变形;(b)PDMS基底的褶皱变形使得锂层中的应力得到释放,从而抑制枝晶的形成;(c)没有柔性PDMS基底的应力释放用途,锂金属表面形成枝状晶体


在第一轮研究中,研究者在电池的阳极底部加了一层柔性PDMS,发现锂枝晶的生长有明显的减少。研究者的分析表明,金属锂电极中累积的应力被PDMS基底以褶皱变形的形式所释放,而这种枝晶减少的趋势与此应力释放直接相关。


这是首次从实验上证明了残余应力在锂枝晶的形成中起着关键用途,姜汉卿说。


除了研究锂枝晶的生长机制外,姜汉卿团队又进一步研究了如何利用这种现象(应力释放减少枝晶生长)来延长锂金属电池的寿命,同时还保持高能量密度。


研究者提出的方法是将PDMS基体做成具备很多表面的三维结构。利用一块内部含有大量小孔的方糖作为模板,PDMS进入方糖内部的孔隙中,形成一个持续的网络状基底,再镀一层薄薄的铜层以传导电子。最后,再用锂金属充满这些孔隙。PDMS作为一种多孔的海绵状层,能够有效减轻应力并抑制枝晶生长,


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