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美国发现碱金属添加剂可阻止锂枝晶 可制成更安全的低成本锂电池

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58京牌 (EV)对于实现可持续性节能未来至关重要,但是此类车辆的局限性之一是缺乏持久、高能量密度的电池,以减少长途旅行中的燃料需求。与此同时,在停电或电网出现故障时,家庭生活中也遇到了这一挑战,目前市场上没有小型高效的电池,能够在家庭没有电的情况下,为家庭供电一个多晚上。下一代锂离子电池将是一种轻量化、持久且低成本的储能设备,能够给该行业带来革新,但是目前仍面临着许多挑战阻碍其实现商业化。

锂金属电池生长枝晶(图片来源:哥伦比亚大学)

此类电池的主要问题是,尽管可充电锂金属阳极在让新款锂电池的表现更好方面扮演着一个关键角色,但是在充放电过程中,此类阳极极易生长枝晶,此种微结构会导致电池短路、起火,甚至爆炸。

,当地时间11月4日,美国哥伦比亚大学工程学院(Columbia Engineering)报告表示,他们发现钾离子等碱金属添加剂能够防止此类锂枝晶在电池内扩散。研究人员结合使用显微镜、核磁共振(类似于MRI)和计算模型发现,在传统锂电池电解质中添加少量钾盐会在锂/电解质界面上产生独特的化学反应。

利用核磁共振成像和计算机模拟了解锂金属阳极表面分子的反应性和结构(图片来源:哥伦比亚大学)

该团队发现,碱金属添加剂抑制了此种非导电化合物(枝晶)在锂金属表面生长,这与传统的电解质操控方法不同,后者关注于在金属表面沉积的导电聚合物。该项研究首次采用了核磁共振对金属锂表面进行深入表征,并证明了此种技术在设计新型锂金属电池电解质方面的能力。此外,卡内基梅隆大学机械工程系Viswanathan小组也与哥伦比亚大学合作,利用密度泛函理论计算结果补充了哥伦比亚大学的研究成果。

研究人员表示:“商用电解质是由精心挑选的分子组成的混合物,采用核磁共振和计算机模拟技术,我们能够最终了解此类独特的电解质配方如何在分子水平上提高了锂金属电池的性能,这一发现最终也为研究人员提供了工具,让他们能够优化电解质设计、实现稳定的锂金属电池。”

目前,该团队正在测试能够阻止锂金属表面形成有害沉积物的碱金属添加剂,同时测试能够促进锂金属表面导电层生长的更加传统的添加剂。此外,研究人员还在积极采用核磁共振技术以直接测量锂离子透过该表层的传输速率。

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