写的AZoM2021年3月17日
当研究人员将电池设计的边界,寻求包更大数量的电力和能源到给定的空间或重量,被研究的更有前途的技术之一是使用固态电解质的锂离子电池材料在两个电极之间,而不是典型的液体。
这张照片显示了一个金属电极(有纹理的内圈)在一个灰色的固体电解质圆盘上。经过多次充放电循环测试后，电解质表面显示出树枝晶的形成。图片来源:研究人员
但是这种电池一直受到一种趋势的困扰，即在一个电极上形成一种叫做树突的树枝状金属突出物，最终连接电解质并使电池短路。现在，麻省理工学院和其他地方的研究人员发现了一种防止这种树突形成的方法，可能会释放这种新型高能电池的潜力。
该研究结果发表在《科学》杂志上自然能源这篇论文由麻省理工学院研究生帕克(Richard Park)、江yet - ming Chiang、克雷格•卡特(Craig Carter)教授以及麻省理工学院、德州农工大学(Texas A&M University)、布朗大学(Brown University)和卡耐基梅隆大学(Carnegie Mellon University)的其他7位教授共同撰写。
Chiang解释说，固态电池之所以成为一种长期寻求的技术，有两个原因:安全性和能量密度。但是，他说，唯一能达到有趣能量密度的方法就是使用金属电极。”他说，虽然可以将金属电极与液体电解质结合，仍然获得良好的能量密度，但这不能提供与固体电解质相同的安全优势。
他说，固态电池只有金属电极才有意义，但树突的生长阻碍了这种电池的发展，树突最终会连接两个电极板之间的空隙，导致电路短路，减弱或使电池失效。
众所周知，当电流较高时，树突形成得更快——这通常是为了允许快速充电。到目前为止，实验用的固态电池的目前密度远远低于实际商用可充电电池的需要。但蒋说，这个前景值得追求，因为这种电池的实验版本可以存储的能量已经是传统锂离子电池的近两倍。
该团队通过在固体和液体状态之间采取一种折衷方法解决了枝晶问题。他们制作了一个半固体电极，与固体电解质材料接触。半固态电极在界面上提供了一种自愈合的表面，而不是固体的脆性表面，后者可能会导致微小的裂缝，为枝晶的形成提供最初的种子。
这个想法的灵感来自于实验性的高温电池，这种电池的一个或两个电极都由熔化的金属组成。据该论文的第一作者Park说，在便携式设备上，数百度的熔体金属电池是不现实的，但这项工作确实证明了液体界面可以实现高电流密度而不形成枝晶。“这里的动机是开发基于精心选择的合金的电极，以便引入可以作为金属电极的自愈合成分的液相，”公园说。
他解释说，这种材料是固态的，而不是液态的，但是类似于牙医用来填充空洞的汞合金——固态金属，但仍然能够流动和成形。在电池正常工作的温度下，它保持在一个既有固相又有液相的状态在这种情况下由钠和钾的混合物组成。蒋说，该团队证明了在不形成任何树突的情况下，以比使用固体锂大20倍的电流运行该系统是可能的。下一步是用真正的含锂电极复制这种性能。
在固态电池的第二种版本中，该团队在固态锂电极和固态电解质之间引入了一层非常薄的液态钠钾合金。他们表明，这种方法也可以克服树突问题，为进一步的研究提供了另一种方法。
蒋说，这种新方法可以很容易地适用于世界各地研究人员正在研究的许多不同版本的固态锂电池。他说，该团队的下一步将是演示该系统对各种电池架构的适用性。合著者、卡内基梅隆大学机械工程教授维斯瓦纳坦说，“我们认为我们可以将这种方法应用于任何固态锂离子电池。我们认为，它可以立即应用于从手持设备到电动汽车再到电动航空的电池开发中。”
该团队还包括麻省理工学院的克里斯托弗·埃施勒(Christopher Eschler)、科尔·芬奇(Cole Fincher)和安德烈斯·巴德尔(Andres Badel);卡耐基梅隆大学的关pinwen Guan;布朗大学的布莱恩·谢尔登这项工作得到了美国能源部、国家科学基金会和麻省理工学院-斯科尔科技下一代计划的支持。欧洲杯线上买球
来源:https://www.mit.edu/