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美國發(fā)現(xiàn)堿金屬添加劑可阻止鋰枝晶 可制成更安全的低成本鋰電池
時(shí)間:2020-11-30 08:36來源:蓋世汽車 作者:余秋云
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鋰金屬電池生長枝晶（圖片來源：哥倫比亞大學(xué)）
電動(dòng)汽車（EV）對于實(shí)現(xiàn)可持續(xù)性節(jié)能未來至關(guān)重要，但是此類車輛的局限性之一是缺乏持久、高能量密度的電池，以減少長途旅行中的燃料需求。與此同時(shí)，在停電或電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)，家庭生活中也遇到了這一挑戰(zhàn)，目前市場上沒有小型高效的電池，能夠在家庭沒有電的情況下，為家庭供電一個(gè)多晚上。下一代鋰離子電池將是一種輕量化、持久且低成本的儲能設(shè)備，能夠給該行業(yè)帶來革新，但是目前仍面臨著許多挑戰(zhàn)阻礙其實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。
此類電池的主要問題是，盡管可充電鋰金屬陽極在讓新款鋰電池的表現(xiàn)更好方面扮演著一個(gè)關(guān)鍵角色，但是在充放電過程中，此類陽極極易生長枝晶，此種微結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致電池短路、起火，甚至爆炸。
據(jù)外媒報(bào)道，當(dāng)?shù)貢r(shí)間11月4日，美國哥倫比亞大學(xué)工程學(xué)院（Columbia Engineering）報(bào)告表示，他們發(fā)現(xiàn)鉀離子等堿金屬添加劑能夠防止此類鋰枝晶在電池內(nèi)擴(kuò)散。研究人員結(jié)合使用顯微鏡、核磁共振（類似于MRI）和計(jì)算模型發(fā)現(xiàn)，在傳統(tǒng)鋰電池電解質(zhì)中添加少量鉀鹽會(huì)在鋰/電解質(zhì)界面上產(chǎn)生獨(dú)特的化學(xué)反應(yīng)。
利用核磁共振成像和計(jì)算機(jī)模擬了解鋰金屬陽極表面分子的反應(yīng)性和結(jié)構(gòu)（圖片來源：哥倫比亞大學(xué)）
該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，堿金屬添加劑抑制了此種非導(dǎo)電化合物（枝晶）在鋰金屬表面生長，這與傳統(tǒng)的電解質(zhì)操控方法不同，后者關(guān)注于在金屬表面沉積的導(dǎo)電聚合物。該項(xiàng)研究首次采用了核磁共振對金屬鋰表面進(jìn)行深入表征，并證明了此種技術(shù)在設(shè)計(jì)新型鋰金屬電池電解質(zhì)方面的能力。此外，卡內(nèi)基梅隆大學(xué)機(jī)械工程系Viswanathan小組也與哥倫比亞大學(xué)合作，利用密度泛函理論計(jì)算結(jié)果補(bǔ)充了哥倫比亞大學(xué)的研究成果。
研究人員表示：“商用電解質(zhì)是由精心挑選的分子組成的混合物，采用核磁共振和計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，我們能夠最終了解此類獨(dú)特的電解質(zhì)配方如何在分子水平上提高了鋰金屬電池的性能，這一發(fā)現(xiàn)最終也為研究人員提供了工具，讓他們能夠優(yōu)化電解質(zhì)設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的鋰金屬電池。”
目前，該團(tuán)隊(duì)正在測試能夠阻止鋰金屬表面形成有害沉積物的堿金屬添加劑，同時(shí)測試能夠促進(jìn)鋰金屬表面導(dǎo)電層生長的更加傳統(tǒng)的添加劑。此外，研究人員還在積極采用核磁共振技術(shù)以直接測量鋰離子透過該表層的傳輸速率。
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