科學(xué)家展示鋰金屬電池設(shè)計(jì)：在空心多孔碳結(jié)構(gòu)中儲(chǔ)存離子以實(shí)現(xiàn)快速充電

據(jù)New Atlas報(bào)道，韓國國家科技研究委員會(huì)的科學(xué)家們展示了一種很有前景的新電池結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可以大大改善容量和充電時(shí)間。這一突破源于高密度鋰金屬電池的新設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)仔細(xì)控制有問題的離子生長，使其能夠在數(shù)百次循環(huán)中保持功能。

目前使用的鋰電池有一個(gè)由石墨制成的陽極組件，但如果科學(xué)家們能夠使用純金屬鋰來代替，這將標(biāo)志著能源儲(chǔ)存技術(shù)的巨大飛躍。這是因?yàn)殇嚱饘俚睦碚撊萘考s為石墨的10倍，約為3860mAh/g，而石墨為372mAh/g，這將使電動(dòng)汽車在每次充電后行駛得更遠(yuǎn)，或者使智能手機(jī)能夠運(yùn)行一周時(shí)間。

但是，這些電池通過不同的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生能量，而這些反應(yīng)帶來了另一組需要解決的問題。隨著鋰金屬電池的循環(huán)，鋰離子在陽極表面不均勻地生長，形成被稱為枝晶的結(jié)構(gòu)。這些突起會(huì)導(dǎo)致陽極膨脹，電池短路或起火。大量的研究都集中在解決這個(gè)問題上。

這項(xiàng)新研究的作者用一種具有空心的多孔碳結(jié)構(gòu)來解決這個(gè)問題，作為陽極。這些被稱為Li-confinablecore–shellhosts的結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是這一領(lǐng)域令人振奮的前景，它們能夠在循環(huán)過程中通過將鋰存放在空心中來防止枝晶生長和體積膨脹。然而，它們確實(shí)在另一個(gè)方面存在著不良的電化學(xué)性能，在操作過程中仍然在結(jié)構(gòu)的表面形成不良的鋰生長，這就是所謂的頂部電鍍。

該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)為這些結(jié)構(gòu)開發(fā)了一種新的設(shè)計(jì)，在中空核心中加入了少量的金納米粒子。這些顆粒對(duì)鋰離子有親和力，因此能夠控制它們的生長方向，將它們誘入核心，同時(shí)還在外殼中形成納米級(jí)的孔隙，進(jìn)一步促進(jìn)鋰離子向空心中心遷移。

這有助于防止枝晶生長和頂部電鍍，由此產(chǎn)生的電池設(shè)計(jì)在該團(tuán)隊(duì)的模擬實(shí)驗(yàn)中顯示出巨大的潛力。在高電流充電條件下，鋰離子沉積被保持在結(jié)構(gòu)內(nèi)，并使其在高電流密度下的500次充電循環(huán)中保持82.5%的容量。研究小組認(rèn)為，這種壽命和對(duì)高電流密度的耐受性指向了一種高容量的電池，它還可以快速充電。

領(lǐng)導(dǎo)該研究小組的Byung GonKim博士說：“盡管有高容量的優(yōu)點(diǎn)，鋰金屬電池在商業(yè)化方面還有許多障礙需要克服，主要是由于穩(wěn)定性和安全性問題。我們的研究是非常有價(jià)值的，因?yàn)槲覀冮_發(fā)了一種大規(guī)模生產(chǎn)具有高庫侖效率的鋰金屬儲(chǔ)能器的技術(shù)，用于快速充電的鋰金屬電池。”

該團(tuán)隊(duì)正在努力使該電池技術(shù)商業(yè)化，但首先需要開發(fā)一種兼容的電解質(zhì)溶液，以便在使用過程中傳輸離子。

該研究發(fā)表在《ACS Nano》雜志上。

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