研究人員研發出新型二維電池隔膜 可使鋰金屬電池壽命翻倍
時間:2021-06-23 08:36來源:蓋世汽車 作者:劉麗婷
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（圖片來源：耶拿弗里德里希席勒大學）
傳統鋰離子電池的能量密度正不斷接近飽和點，因此無法滿足未來電動汽車等應用的需求。與鋰離子電池相比，單位重量的鋰金屬電池可提供兩倍的能量。但鋰金屬電池應用存在一個較大問題，其鋰金屬陽極上會形成鋰枝晶。這是一種很小的針狀結構，形狀與石洞穴中的石筍類似。這些枝狀晶體會不斷生長，直到刺穿隔膜，從而導致電池短路，最終損壞電池。
多年來，全球的專家一直在尋找解決此問題的方法。據外媒報道，近日，耶拿弗里德里希席勒大學（Friedrich Schiller University in Jena）的科學家與波士頓大學（BU）和韋恩州立大學（WSU）的同事成功阻止了鋰金屬電池中枝晶的形成，將該電池的壽命延長了一倍以上。
在電荷轉移過程中，鋰離子在陽極和陰極之間來回移動。每當它們獲得一個電子時，它們就會沉積一個鋰原子，而這些原子就會在陽極上積聚。在積聚處，晶體表面會三維生長，從而形成枝晶。該隔膜的孔隙會影響支晶成核。如果離子傳輸更均勻則可以避免枝晶成核。
耶拿大學的Andrey Turchanin教授解釋說：“這也是為什么我們將極薄的碳制二維膜應用于隔膜中。碳制二維膜的孔徑小于1納米，小于臨界核尺寸，因此可以防止枝晶成核。鋰不再形成樹枝狀結構，而是作為光滑的薄膜沉積在陽極上。”這樣做不僅不會破壞隔膜，且不會影響電池功能。
耶拿大學Antony Geore博士稱：“為了對該方法進行測試，我們對裝有混合隔膜的測試電池進行多次充電。結果發現，即使經過數百次充電和放電循環，也沒有檢測到任何樹枝狀生長。”
WSU的副教授Leela Mohana Reddy Arava表示：“新方法的關鍵創新在于無需改變當前電池的生產過程，僅通過超薄膜就可穩定電極/電解質界面。而界面穩定性是提高電化學系統性能和安全性的關鍵。”
與現代電動汽車（EV）電池同等重量/體積下，高能量密度電池延長了EV的續航里程，并使便攜式電子設備在一次充電后的續航時間更長。WSU研究生Sathish Rajendran表示：“與電池其他組件相比，隔膜受到的關注最少，但隔膜上納米厚的二維膜在影響著電池的壽命。”
研究團隊相信此次發現可能會帶來新一代鋰電池，因此申請了專利。下一步他們將研究如何把二維膜應用整合到生產過程中。此外，研究人員還希望將這一發現應用于其他類型的電池。
(責任編輯：子蕊)
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