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加州大学圣地亚哥分校对锂电池技术做出突破
上传时间: 2023-02-10 14:35:12           浏览量: 786

根据最近发表在《自然-能源》上的一篇论文,一个工程师团队在开发快速充电的锂金属电池方面取得了重大进展。这些电池能够在短短一小时内完成充电,这要归功于均匀的锂金属晶体的生长,这些晶体可以在一个令人惊讶的表面迅速播种。这项创新技术为未来的能源储存带来了巨大的希望。

  在一篇新的《自然-能源》论文中,工程师们报告了在实现快速充电--快至一小时--的锂金属电池方面的进展。这种快速充电要归功于锂金属晶体,这种晶体可以在一个令人惊讶的表面上快速而均匀地播种和生长。诀窍是使用一种锂一般不 "喜欢 "的晶体生长表面。从这些种子晶体中生长出密集的均匀金属锂层。电池研究人员对均匀的金属锂层非常感兴趣,因为它们缺乏被称为树枝状物的降低电池性能的尖峰。电池阳极中这些树枝状物的形成是快速充电的超能量密度锂金属电池的一个长期障碍。由加州大学圣地亚哥分校工程师领导的这种新方法使锂金属电池在大约一小时内完成充电,这一速度与当今的锂离子电池相比具有竞争力。加州大学圣地亚哥分校的工程师与加州大学欧文分校的成像研究人员合作,在《自然-能源》杂志上于2023年2月9日发表了这项旨在开发快速充电的锂金属电池的进展。

  为了生长锂金属晶体,研究人员用氟化锂(LiF)和铁(Fe)组成的疏锂纳米复合材料表面取代了锂金属电池负极(阳极)上无处不在的铜表面。使用这种疏水性表面进行锂沉积,形成了锂晶体种子,并从这些种子中生长出密集的锂层--即使在高充电率下。结果是可以快速充电的长循环寿命的锂金属电池。

  "新的发现就是这种特殊的纳米复合表面。"加州大学圣地亚哥分校纳米工程教授刘平如是说,他是这篇新论文的资深作者。"我们挑战了需要什么样的表面来生长锂晶体的传统观念。普遍的看法是,锂在它喜欢的表面,即亲锂的表面上生长得更好。在这项工作中,我们表明这并不总是真的。我们使用的基质并不喜欢锂。然而,它提供了丰富的成核点和快速的表面锂运动。这两个因素导致了这些美丽晶体的生长。这是一个科学解决技术问题的好例子。"

  由加州大学圣地亚哥分校纳米工程师领导的新进展可以消除阻碍能量密集型锂金属电池在电动汽车(EVs)和便携式电子产品等应用中广泛使用的一个重要障碍。虽然锂金属电池因其高充电密度而在电动汽车和便携式电子产品中具有巨大的潜力,但今天的锂金属电池必须以极慢的速度充电,以保持电池的性能和避免安全问题。慢速充电是必要的,以尽量减少破坏电池性能的锂枝晶的形成,因为锂离子与电子结合,在电池的阳极侧形成锂晶体。锂晶体在电池充电时积聚,而锂晶体在电池放电时溶解。

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  在这张SEM图像中,大而均匀的金属锂晶体在一个表面上生长,这令人惊讶,因为它并不 "喜欢 "锂。加州大学圣地亚哥分校的电池研究人员发现,金属锂晶体可以被启动(成核),并快速而均匀地生长为密集的金属锂层,而这些金属锂层缺乏性能退化的枝晶。在2023年2月9日发表的《自然-能源》论文中,加州大学圣地亚哥分校的电池研究人员表明,这种锂晶体种子的意外形成导致即使在高充电率下也能形成致密的锂层,从而形成长周期寿命的锂金属电池,也可以快速充电。这一发现克服了可充电锂金属电池的一个普遍现象,即高速充电总是导致多孔的锂和短周期寿命。通过用这种由氟化锂和铁制成的疏水性表面取代锂金属电池负极(阳极)上无处不在的铜表面,研究人员为创造更可靠、更安全、更高性能的锂金属电池开辟了一条新途径。

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