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用于下一代电池的半液态金属阳极 新阳极可以帮助创造更安全的高能锂金属电池

发布时间:2019-06-13 14:40:20 来源:

来自卡内基梅隆大学梅隆科学学院和工程学院的研究人员开发出一种半液态锂金属阳极,代表了电池设计的新范例。使用这种新型电极制成的锂电池可以具有更高的容量,并且比使用锂箔作为阳极的典型锂金属电池更安全。

跨学科研究小组在当前的焦耳问题中发表了他们的研究结果。

锂基电池是现代电子设备中最常用的可充电电池类型之一,因为它们能够存储大量能量。传统上,这些电池由可燃液体电解质和两个电极(阳极和阴极)制成,它们由膜隔开。在电池反复充电和放电之后,称为树枝状晶体的锂线可以在电极表面上生长。树枝状晶体可以刺穿隔开两个电极的膜。这允许阳极和阴极之间的接触,这可能导致电池短路,并且在最坏的情况下,着火。

“将金属锂阳极纳入锂离子电池具有创造比具有石墨阳极的电池更大容量的电池的理论潜力,”JC华纳大学卡内基梅隆大学化学系自然科学教授Krzysztof Matyjaszewski说。“但是,我们需要做的最重要的事情就是确保我们制造的电池是安全的。”

对现有电池中使用的挥发性液体电解质的一种提出的解决方案是用固体陶瓷电解质代替它们。这些电解质具有高导电性,不可燃性,并且足够坚固以抵抗树枝状晶体。然而,研究人员发现,陶瓷电解质与固体锂阳极之间的接触不足以存储和提供大多数电子设备所需的电量。

卡内基梅隆大学化学系博士生Sipei Li和卡内基梅隆大学材料科学与工程系博士生汉王通过创造一种可用作半流体的新型材料,克服了这一缺点。金属阳极。

与梅隆理工学院Matyjaszewski(高分子化学和材料科学领域的领导者)和工程学院能源学教授Jay Whitacre以及着名的Carnegie Mellon Wilton E. Scott能源创新研究所所长合作Li和Wang在开发能量储存和发电新技术方面的工作中创造了一种双导电聚合物/碳复合材料基质,其中锂微粒均匀分布在整个基质中。基质在室温下保持可流动,这使其能够与固体电解质产生足够的接触水平。通过将半液体金属阳极与基于石榴石的固体陶瓷电解质相结合,它们能够以比固体电解质和传统锂箔阳极的电池高10倍的电流密度循环电池。该细胞的循环寿命也比传统细胞长得多。

“这种新的加工路线使得锂金属基电池阳极具有流动性,与普通锂金属相比具有非常吸引人的安全性和性能。实施这样的新材料可能导致锂基充电电池的阶段性变化,我们是努力工作,看看它如何在各种电池架构中发挥作用,“惠特克说。

研究人员认为,他们的方法可能会产生深远的影响。例如,它可以用于制造用于电动车辆的高容量电池和用于需要柔性电池的可穿戴设备的专用电池。他们还认为,他们的方法可以扩展到锂电池以外的其他可充电电池系统,包括钠金属电池和钾金属电池,并且可以用于电网规模的能量存储。

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