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新研究发现小锂金属强度大可抑制树突生长 让电池多存储50%能量

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58京牌 几乎很多人都遇到手机没电又无处可充电的窘境,而且虽然越来越受欢迎,但也受到电池对续航的制约。的确,电池的能量密度,即在给定的质量或体积中,电池所能容纳的能量,一直是消费电子产品、电动汽车以及可再生能源所面临的主要挑战。

(图片来源:加州理工学院)

不过,,美国加州理工学院(Caltech)的新研究可以会带来一些改变。研究人员的一项新发现可能会实现更安全、更强大的电池,让电池可以安全地多存储50%的能量。

传统的锂离子电池都利用石墨制阳极,也就是电流进入电池的那一头电极。30多年来,石墨一直被选作阳极材料,因为重量轻、稳定且成本低廉,还能够忍受无数次的电池充放电循环。但是,加州理工学院的研究人员表示,其实有更好的材料来做电池阳极,只是需要克服一些技术上的挑战。

研究人员表示:“每一种需要电力的应用都可从锂阳极,而不是石墨阳极中受益,因为锂阳极可以提供更多的电力。锂的重量轻,不会占用很多空间,而且能量密度极大。”

不过,金属锂也存在一个问题:当电池经过多次充放电循环时,锂会自然地形成树突,此种晶体会形成一种树枝状的结构。在电池充电过程中,树突会不受控制地生长,当树突刺穿电池系统时,就会像短路的细小电线一样,让电池失效。

长久以来,研究人员一直在寻找新方法来防止树突生长。其中一个方法是利用物理方法,将某种物质挤压在锂金属上,以压制树突生长。虽然一般锂离子电池拥有液体电解质(分开两个电池电极,并通过其移动锂离子的物质),但从理论上讲,采用固体电解质的电池才可以施加足够的机械压力来抑制树突。

不过,在研究了固体电解质电池后,发现树突仍在生长。

研究人员怀疑是固体电解质的强度不足,不足以抵抗树突生长,因为研究人员低估了树突的强度,虽然树突的尺寸只有纳米大小。而之所以得出此种估计是因为锂是一种相对柔软的金属,可与铅和锡媲美。最后,研究人员发现尺寸更小的金属的强度可能是尺寸更大的金属的100倍。

2015年,研究人员雕刻了锂柱,并测试了其弹性,发现强度比人们认为的要高一个数量级。不过,该实验装置并没有完全反映出锂树突在真正电池中的表现。为了更准确地模拟此种情况,研究人员还设计了一种可以生长纯锂树突的电池,此种树突与电池中形成的树突非常相似。最终发现,此类树突的强度是大块锂树突的24倍。

有了上述信息,研究人员现在对如何让锂阳极电池工作有了更好的理解。通常情况下,用于固体电解质的材料,如聚合物和陶瓷,都有缺点。大多数聚合物都太软,无法承受树突生长,而陶瓷在树突的压力下容易破裂。

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