新型自組裝化學層可防止鋰金屬電池因枝晶生長而失效

2020-09-05 cnBeta

賓夕法尼亞大學的一支研究團隊表示，其開發的一種將鋰金屬摻入陽極的技術，有望將鋰電池的能量密度提升到全新的水平。其最大的特點，就是可以藉助「自組裝層」來解決困擾研究人員已久的一個問題 —— 幫助鋰金屬電池保持正常的工作。此外通過將銅和石墨換成純鋰陽極，不僅能夠催生 10 被容量的電池、還可極大地改善充電速度。

（圖自：PSU）

當電池在快速充放電、或寒冷條件下使用時，便有可能在陽極上形成可能導致內部短路、甚至起火報廢的枝晶。

賓夕法尼亞州立大學機械工程學系的王東海教授表示：「鋰金屬電池是繼鋰離子電池之後的下一代產品，其採用了純鋰陽極，具有較高的能量密度，但也存在枝晶生長、效率低下、以及循環壽命短等問題」。

此前已有研究團隊想到用納米管薄膜等方案來克服枝晶問題，但王教授帶領的研究團隊選擇了不同的方向 —— 開發一種可併入電池的保護層，以保護鋰金屬的使用壽命。

據悉，新電池架構主要引入了沉積在銅薄膜上的電化學活性分子「自組裝層」，能夠有效避免鋰電池中枝晶的生成。

電池充電後，鋰會與沉積的銅薄膜上的電化學活性分子層接觸，從而啟動一個過程，讓部分鋰在頂部分別並重新形成，以保護其免受枝晶的影響。

王教授指出，這套方案的關鍵，就是對化學分子進行調節，以使之能夠在表面上自組裝。它可在充電時提供良好的固體電解質界面，為鋰陽極提供保護。

測試表明，新型電池可在數百個充電周期內保持其功能。而自組裝的特性，使之能夠在分解後又自發重整。

相信通過進一步的工作，其有望為電動汽車、無人機、以及一些用於低溫水下等環境中的設備提供長期可靠的動力。

有關這項研究的詳情，已經發表在近日出版的《自然能源》（Nature Energy）期刊上。

原標題為《Low-temperature and high-rate-charging lithium metal batteries enabled by an electrochemically active monolayer-regulated interface》。

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