哈佛科學家研發“三明治式電池” 充電時間僅10分鐘
時間:2021-05-17 12:21來源:財聯社 作者:綜合報道
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據了解，這種替代結構還能提供比同類電池更長的壽命，因為它使用了高性能的鋰金屬和固體電解質，使其能在數千次循環中保持穩定。這項研究成果已于本月12日被刊登在了知名科學期刊《自然》（Nature）上。
一直以來，科學家們都希望通過將用于陽極的石墨和銅換成鋰金屬來提高現在鋰離子電池的性能。陽極、液體電解質和電池的另一個電極（陰極）一起工作，在設備充電和放電時來回傳遞離子，而鋰金屬的出色容量和密度使其成為一種有吸引力的材料。
哈佛大學約翰·保爾森工程與應用科學學院材料科學副教授Xin Li表示，“鋰金屬電池被認為是電池化學的圣杯，因為它的高容量和能量密度。但這類電池的穩定性一直很差。”
而穩定性差的原因，他進一步解釋稱，就是被稱為枝晶的微小針狀突起，它們在鋰金屬陽極的表面形成，會進入液體電解質并侵蝕電池的性能，常常導致電池短路或起火。
因此，科學家們希望用固體電解質代替含有揮發性溶劑的液體電解質，從而避免這一問題。最近，麻省理工學院（MIT）和澳大利亞迪肯大學（Deakin University）的研究小組已經提出了一些有前景的潛在解決方案。而現在，MIT科學家們正在將一種類似于BLT三明治的組合投入到設計中。
為了保護固態鋰金屬電池不受枝晶驅動的破壞，該團隊將電池分成不同的層，每層都有不同的穩定性。它們位于作為“面包”的兩個電極之間，包括石墨涂層（生菜）、第一電解質層（番茄）、第二電解質層（培根），最后是又一層第一電解質（又是番茄）。
據悉，第一和第二這兩種電解質的化學成分會略有不同，這使得第一種電解質易于被枝晶穿透，但在鋰的作用下會更穩定，第二種電解質在鋰作用下不太穩定，但對枝晶“免疫”。通過這種方式，電池不會阻止樹枝狀晶的形成，但能夠安全地控制和遏制它，并被三明治的“培根”層擋住。
該研究報告的共同作者Luhan Ye表示，“我們為了穩定電池而納入不穩定性的策略看上去是反直覺的，但就像一個錨栓可以引導和控制進入墻壁的螺栓一樣，我們的多層設計也可以引導和控制樹突的生長。”
此外，電池還可以通過回填枝晶產生的間隙來自我修復。在測試中，該團隊發現，該電池在1萬次循環后仍能保持82%的容量，并展示了有朝一日可以讓電動汽車在10至20分鐘內充電的電流密度。
研究人員表示，“這一概念驗證設計表明，鋰金屬固態電池可以與商用鋰離子電池競爭。我們多層設計的靈活性和多功能性使其有可能與電池行業的大規模生產程序兼容。將其推廣到商業電池并不容易，仍存在一些實際挑戰，但我們相信它們將被克服。”
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