鋰金屬電池的致命缺陷有救了！新材料可延長其壽命
來源：寶鄂實業(yè)
2019-03-11 17:19
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鋰金屬電池的儲電量相當于鋰離子電池的10倍，但是因為一個致命缺陷一直未被商業(yè)化：在鋰金屬電池充放電時，鋰會不均勻地聚集在電極上。這種積聚會大大縮短電池壽命，而且更重要的是，這可能會導致電池短路和起火。
據(jù)英國科學新聞網(wǎng)站3月15日報道，現(xiàn)在，美國伊利諾伊大學芝加哥分校（UIC）的研究人員開發(fā)了一種以氧化石墨烯為涂層的“納米片”來解決這一問題：將這種納米片置于鋰金屬電池的兩個電極之間能夠防止鋰的不均勻聚集，令電池經(jīng)過數(shù)百次的充電/放電循環(huán)仍能安全工作。研究人員將研究成果刊登在美國《先進功能材料》雜志上。
這篇研究論文的通訊作者、UIC工程學院機械與工業(yè)工程專業(yè)副教授雷扎·沙赫巴齊安-亞薩爾說：“我們的研究結果表明，二維材料——在此例中為氧化石墨烯——能夠幫助調節(jié)鋰聚集，從而延長鋰金屬電池的使用壽命。”
報道稱，在鋰離子電池中，有一個隔膜被置于電解液中。這種隔膜通常由多孔聚合物或玻璃陶瓷纖維制成，隔膜允許鋰離子通過，同時擋住其他部件，以防發(fā)生可能導致起火的短路。
沙赫巴齊安-亞薩爾及其同事在鋰金屬電池中使用了一種改進的隔膜來調節(jié)鋰離子的流動，以控制鋰的聚集速度，然后觀察其是否能防止鋰樹枝狀結晶的形成。他們把氧化石墨烯噴涂到一種玻璃纖維隔膜上，從而制造出他們口中的“納米片”。
這項研究的第一作者、UIC工程學院研究生塔拉·福魯贊說，研究人員利用掃描電子顯微鏡和其他成像技術來展示，當這種納米片被用于鋰金屬電池時，鋰電極表面會形成一層均勻的鋰膜，這實際上提高了電池性能，并且令電池更安全。
得克薩斯農(nóng)機大學的一組研究人員帶頭進行的分子模擬表明，鋰離子暫時與氧化石墨烯結合，然后通過納米片中的納米級缺陷區(qū)擴散。這放慢了鋰離子的通過速度，從而阻止了在電極上形成鋰的樹枝狀結晶。
由美國能源部布魯克黑文國家實驗室領導的一個研究團隊近日發(fā)現(xiàn)，當電池產(chǎn)生電流時，若電池的電極是由納米粒子制成的，納米粒子部分區(qū)域里的鋰離子濃度會先上升，然后下降，而非此前一直認為的濃度會持續(xù)增加。
晶格是晶體內部的粒子按一定幾何圖形排列而成的結構。鋰離子電池的工作原理是鋰離子在正負極晶格間移動，充電時，鋰離子從正極流到負極，放電時正相反。
“與海綿吸水類似，我們看到納米粒子里鋰離子的總濃度在不斷增加，”主持該研究的布魯克黑文國家實驗室可持續(xù)能源技術部科學家王馮說，“但與水不同，鋰離子會選擇性地從某些區(qū)域流出，這造成晶格間鋰離子濃度不一致。”
研究人員指出，鋰離子進入晶格前，晶格的結構很均勻，一旦鋰離子進入，就會拉伸晶格，當鋰離子流出時，晶格又收縮了。鋰離子的不均勻運動可能造成持久性損害，原因是它使電池內活性成分的結構變形，并可能導致電池疲勞失效。
研究人員推測這種現(xiàn)象也可能發(fā)生在其他高性能電池的化學物質中，該研究結果可有助于開發(fā)充電時間更短、待機時間更長的電池。
