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哈佛科學家研發(fā)“三明治式電池” 充電時間僅10分鐘
時間:2021-05-17 12:21來源:財聯(lián)社 作者:綜合報道
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據(jù)了解，這種替代結構還能提供比同類電池更長的壽命，因為它使用了高性能的鋰金屬和固體電解質(zhì)，使其能在數(shù)千次循環(huán)中保持穩(wěn)定。這項研究成果已于本月12日被刊登在了知名科學期刊《自然》（Nature）上。
一直以來，科學家們都希望通過將用于陽極的石墨和銅換成鋰金屬來提高現(xiàn)在鋰離子電池的性能。陽極、液體電解質(zhì)和電池的另一個電極（陰極）一起工作，在設備充電和放電時來回傳遞離子，而鋰金屬的出色容量和密度使其成為一種有吸引力的材料。
哈佛大學約翰·保爾森工程與應用科學學院材料科學副教授Xin Li表示，“鋰金屬電池被認為是電池化學的圣杯，因為它的高容量和能量密度。但這類電池的穩(wěn)定性一直很差。”
而穩(wěn)定性差的原因，他進一步解釋稱，就是被稱為枝晶的微小針狀突起，它們在鋰金屬陽極的表面形成，會進入液體電解質(zhì)并侵蝕電池的性能，常常導致電池短路或起火。
因此，科學家們希望用固體電解質(zhì)代替含有揮發(fā)性溶劑的液體電解質(zhì)，從而避免這一問題。最近，麻省理工學院（MIT）和澳大利亞迪肯大學（Deakin University）的研究小組已經(jīng)提出了一些有前景的潛在解決方案。而現(xiàn)在，MIT科學家們正在將一種類似于BLT三明治的組合投入到設計中。
為了保護固態(tài)鋰金屬電池不受枝晶驅動的破壞，該團隊將電池分成不同的層，每層都有不同的穩(wěn)定性。它們位于作為“面包”的兩個電極之間，包括石墨涂層（生菜）、第一電解質(zhì)層（番茄）、第二電解質(zhì)層（培根），最后是又一層第一電解質(zhì)（又是番茄）。
據(jù)悉，第一和第二這兩種電解質(zhì)的化學成分會略有不同，這使得第一種電解質(zhì)易于被枝晶穿透，但在鋰的作用下會更穩(wěn)定，第二種電解質(zhì)在鋰作用下不太穩(wěn)定，但對枝晶“免疫”。通過這種方式，電池不會阻止樹枝狀晶的形成，但能夠安全地控制和遏制它，并被三明治的“培根”層擋住。
該研究報告的共同作者Luhan Ye表示，“我們?yōu)榱朔�(wěn)定電池而納入不穩(wěn)定性的策略看上去是反直覺的，但就像一個錨栓可以引導和控制進入墻壁的螺栓一樣，我們的多層設計也可以引導和控制樹突的生長。”
此外，電池還可以通過回填枝晶產(chǎn)生的間隙來自我修復。在測試中，該團隊發(fā)現(xiàn)，該電池在1萬次循環(huán)后仍能保持82%的容量，并展示了有朝一日可以讓電動汽車在10至20分鐘內(nèi)充電的電流密度。
研究人員表示，“這一概念驗證設計表明，鋰金屬固態(tài)電池可以與商用鋰離子電池競爭。我們多層設計的靈活性和多功能性使其有可能與電池行業(yè)的大規(guī)模生產(chǎn)程序兼容。將其推廣到商業(yè)電池并不容易，仍存在一些實際挑戰(zhàn)，但我們相信它們將被克服。”
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