临界纳米碳孔膜可有效避免锂电池枝晶生成

2021年06月18日 15:27 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论

通过石墨代替高密度纯金属锂,科学家们有望显著提升电池技术的性能,但当前仍有一些障碍需要克服。不过德国耶拿弗里德里希席勒大学的科学家们,已经展示了一种微调的碳膜技术。即便经历了数百次循环充电,它仍能够防止锂电池因枝晶而导致故障。

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资料图(来自:Uni-Jena

熟悉锂电池技术发展的朋友,一定不会对枝晶这种针状结构感到陌生。

尽管锂金属电池的储能潜力是当前锂离子电池的 10 倍,但在充放电过程中,锂离子会在电池两极间来回移动,并让锂原子在电极上积聚。

一段时间过后,被称作枝晶的尖刺就会戳破电芯隔板,导致电池遭遇短路和故障。

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研究配图 - 1:碳纳米膜涂层在 Ceigard 隔膜上的合成与转移

迄今为止,世界上已有相当多的研究团队,在防止枝晶生成这件事上倾注了大量的心力。

而为了让锂金属电池一步步走向现实,我们已经见到了解决这个问题的各种创造性的潜在解决方案 —— 比如使用超薄锂、纳米管薄膜、以及自组装保护层。

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研究配图 - 2:电池恒流 / 不同时间间隔下的缩放电压曲线

这项新研究的作者,试图通过使用带有微调孔的新型碳膜来对抗枝晶的生成,而这种碳膜能够以正确的方式来影响离子的输送。

耶拿大学的 Andrey Turchanin 教授解释称:“这就是我们在隔膜上应用由碳制成的极薄二维膜的原因”。

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研究配图 - 3:锂在铜箔上电沉积的过程示意

教授称,这种碳膜的孔径小于 1 纳米。由于开口小于临界核尺寸,因而能够防止枝晶形成。此时锂无法形成枝晶结构,而是作为光滑的薄膜,而沉积在阳极上。

在对这种电池设计展开对比测试之后,研究团队发现其寿命较无保护膜的电池延长了一倍,且在数百次充电循环中没有出现枝晶生长的迹象。

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研究配图 - 4:模拟离子输送与枝晶生长的通道尺寸

科学家们认为,这将是通向下一代锂电池的重要一步,并且已经申请了相关专利,现正研究如何将这种碳膜引入实际的电池制造过程。

参与这项研究的华盛顿州立大学研究生 Sathish Rajendran 表示:“与电池的其它组件相比,隔膜材料的关注度一直偏少。而新研究展示的纳米级二维膜,已经对电池寿命产生了让人着迷的影响力”。

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研究配图 - 5:锂电池循环性能分析

有关这项研究的详情,已经发表在近日出版的《先进能源材料》(Advanced Energy Materials)期刊上。

原标题为《Inhibition of Lithium Dendrite Formation in Lithium Metal Batteries via Regulated Cation Transport through Ultrathin Sub-Nanometer Porous Carbon Nanomembranes》。

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