研究人員研發出新型二維電池隔膜可使鋰金屬電池壽命翻倍

傳統鋰離子電池的能量密度正不斷接近飽和點,因此無法滿足未來電動汽車等應用的需求。與鋰離子電池相比,單位重量的鋰金屬電池可提供兩倍的能量。但鋰金屬電池應用存在一個較大問題,其鋰金屬陽極上會形成鋰枝晶。這是一種很小的針狀結構,形狀與石洞穴中的石筍類似。這些枝狀晶體會不斷生長,直到刺穿隔膜,從而導致電池短路,最終損壞電池。

研究人員研發出新型二維電池隔膜可使鋰金屬電池壽命翻倍

(圖片來源:耶拿弗里德里希席勒大學)

多年來,全球的專家一直在尋找解決此問題的方法。據外媒報道,近日,耶拿弗里德里希席勒大學(Friedrich Schiller University in Jena)的科學家與波士頓大學(BU)和韋恩州立大學(WSU)的同事成功阻止了鋰金屬電池中枝晶的形成,將該電池的壽命延長了一倍以上。

在電荷轉移過程中,鋰離子在陽極和陰極之間來回移動。每當它們獲得一個電子時,它們就會沉積一個鋰原子,而這些原子就會在陽極上積聚。在積聚處,晶體表面會三維生長,從而形成枝晶。該隔膜的孔隙會影響支晶成核。如果離子傳輸更均勻則可以避免枝晶成核。

耶拿大學的Andrey Turchanin教授解釋說:“這也是為什麼我們將極薄的碳制二維膜應用於隔膜中。碳制二維膜的孔徑小於1奈米,小於臨界核尺寸,因此可以防止枝晶成核。鋰不再形成樹枝狀結構,而是作為光滑的薄膜沉積在陽極上。”這樣做不僅不會破壞隔膜,且不會影響電池功能。

耶拿大學Antony Geore博士稱:“為了對該方法進行測試,我們對裝有混合隔膜的測試電池進行多次充電。結果發現,即使經過數百次充電和放電迴圈,也沒有檢測到任何樹枝狀生長。”

WSU的副教授Leela Mohana Reddy Arava表示:“新方法的關鍵創新在於無需改變當前電池的生產過程,僅透過超薄膜就可穩定電極/電解質介面。而介面穩定性是提高電化學系統效能和安全性的關鍵。”

與現代電動汽車(EV)電池同等重量/體積下,高能量密度電池延長了EV的續航里程,並使行動式電子裝置在一次充電後的續航時間更長。WSU研究生Sathish Rajendran表示:“與電池其他元件相比,隔膜受到的關注最少,但隔膜上奈米厚的二維膜在影響著電池的壽命。”

研究團隊相信此次發現可能會帶來新一代鋰電池,因此申請了專利。下一步他們將研究如何把二維膜應用整合到生產過程中。此外,研究人員還希望將這一發現應用於其他型別的電池。

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