科學(xué)家展示鋰金屬電池設(shè)計：在空心多孔碳結(jié)構(gòu)中儲存離子以實現(xiàn)快速充電

據(jù)New Atlas報道，韓國國家科技研究委員會的科學(xué)家們展示了一種很有前景的新電池結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可以大大改善容量和充電時間。這一突破源于高密度鋰金屬電池的新設(shè)計，該設(shè)計仔細控制有問題的離子生長，使其能夠在數(shù)百次循環(huán)中保持功能。

目前使用的鋰電池有一個由石墨制成的陽極組件，但如果科學(xué)家們能夠使用純金屬鋰來代替，這將標(biāo)志著能源儲存技術(shù)的巨大飛躍。這是因為鋰金屬的理論容量約為石墨的10倍，約為3860mAh/g，而石墨為372mAh/g，這將使電動汽車在每次充電后行駛得更遠，或者使智能手機能夠運行一周時間。

但是，這些電池通過不同的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生能量，而這些反應(yīng)帶來了另一組需要解決的問題。隨著鋰金屬電池的循環(huán)，鋰離子在陽極表面不均勻地生長，形成被稱為枝晶的結(jié)構(gòu)。這些突起會導(dǎo)致陽極膨脹，電池短路或起火。大量的研究都集中在解決這個問題上。

這項新研究的作者用一種具有空心的多孔碳結(jié)構(gòu)來解決這個問題，作為陽極。這些被稱為Li-confinablecore–shellhosts的結(jié)構(gòu)被認為是這一領(lǐng)域令人振奮的前景，它們能夠在循環(huán)過程中通過將鋰存放在空心中來防止枝晶生長和體積膨脹。然而，它們確實在另一個方面存在著不良的電化學(xué)性能，在操作過程中仍然在結(jié)構(gòu)的表面形成不良的鋰生長，這就是所謂的頂部電鍍。

該團隊已經(jīng)為這些結(jié)構(gòu)開發(fā)了一種新的設(shè)計，在中空核心中加入了少量的金納米粒子。這些顆粒對鋰離子有親和力，因此能夠控制它們的生長方向，將它們誘入核心，同時還在外殼中形成納米級的孔隙，進一步促進鋰離子向空心中心遷移。

這有助于防止枝晶生長和頂部電鍍，由此產(chǎn)生的電池設(shè)計在該團隊的模擬實驗中顯示出巨大的潛力。在高電流充電條件下，鋰離子沉積被保持在結(jié)構(gòu)內(nèi)，并使其在高電流密度下的500次充電循環(huán)中保持82.5%的容量。研究小組認為，這種壽命和對高電流密度的耐受性指向了一種高容量的電池，它還可以快速充電。

領(lǐng)導(dǎo)該研究小組的Byung GonKim博士說：“盡管有高容量的優(yōu)點，鋰金屬電池在商業(yè)化方面還有許多障礙需要克服，主要是由于穩(wěn)定性和安全性問題。我們的研究是非常有價值的，因為我們開發(fā)了一種大規(guī)模生產(chǎn)具有高庫侖效率的鋰金屬儲能器的技術(shù)，用于快速充電的鋰金屬電池?！?/p>

該團隊正在努力使該電池技術(shù)商業(yè)化，但首先需要開發(fā)一種兼容的電解質(zhì)溶液，以便在使用過程中傳輸離子。

該研究發(fā)表在《ACS Nano》雜志上。

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