加州大學(xué)戴維斯分校化學(xué)工程系的萬(wàn)建迪副教授的研究小組在《科學(xué)進(jìn)展》上發(fā)表了一篇新論文，提出了一種解決鋰可充電鋰電池枝晶生長(zhǎng)的潛在解決方案。Wan的團(tuán)隊(duì)在論文中證明，在陰極附近流動(dòng)的離子有可能擴(kuò)大這些下一代可充電電池的安全性和使用壽命。

鋰金屬電池使用鋰金屬作為陽(yáng)極。這些電池具有高電荷密度，并且可能使常規(guī)鋰離子電池的能量增加一倍，但是安全性是一個(gè)大問(wèn)題。當(dāng)它們帶電時(shí)，一些離子會(huì)在陰極表面還原為鋰金屬，并形成不規(guī)則的樹(shù)狀微結(jié)構(gòu)，稱(chēng)為樹(shù)突，最終可能導(dǎo)致短路甚至爆炸。

從理論上講，樹(shù)枝狀晶體的生長(zhǎng)是由質(zhì)量傳遞的競(jìng)爭(zhēng)和陰極表面附近鋰離子的還原速率的競(jìng)爭(zhēng)引起的。當(dāng)離子的還原速度快于傳質(zhì)速度時(shí)，它會(huì)在陰極附近產(chǎn)生一個(gè)不包含離子的電子中性間隙，稱(chēng)為空間帶電層。人們認(rèn)為該層的不穩(wěn)定性會(huì)導(dǎo)致枝晶生長(zhǎng)，因此減少或消除它可能會(huì)減少枝晶生長(zhǎng)，從而延長(zhǎng)電池壽命。

鋰金屬電池容易產(chǎn)生金屬樹(shù)枝狀晶體，會(huì)導(dǎo)致電池短路或爆炸。加州大學(xué)戴維斯分校的工程師表明，陰極附近的離子錯(cuò)流可以防止此問(wèn)題。在該圖中，增加電極上的流速可減少表面上樹(shù)枝狀晶體的生長(zhǎng)。

樹(shù)突生長(zhǎng)減少了99％

Wan的想法是使離子在微流體通道中流過(guò)陰極，以恢復(fù)電荷并彌補(bǔ)這一缺口。該團(tuán)隊(duì)在論文中概述了其概念驗(yàn)證測(cè)試，發(fā)現(xiàn)這種離子流最多可將枝晶生長(zhǎng)降低99％。

對(duì)于Wan而言，這項(xiàng)研究令人興奮，因?yàn)樗砻髁藢⑽⒘黧w技術(shù)應(yīng)用于電池相關(guān)問(wèn)題的有效性，并為該領(lǐng)域的未來(lái)研究鋪平了道路。

他說(shuō)：“通過(guò)這項(xiàng)基礎(chǔ)研究和微流體方法，我們能夠定量地了解流動(dòng)對(duì)枝晶生長(zhǎng)的影響。”“還沒(méi)有很多研究小組對(duì)此進(jìn)行過(guò)研究。”

盡管不可能將微流體直接整合到實(shí)際電池中，但Wan的小組正在尋找其他方法來(lái)應(yīng)用這項(xiàng)研究的基本原理，并在陰極表面附近引入局部流動(dòng)以補(bǔ)償陽(yáng)離子并消除空間電荷層。

他說(shuō)：“我們很高興探索我們研究的新應(yīng)用。”“我們已經(jīng)在設(shè)計(jì)陰極表面以引入對(duì)流。”