文|陈根
从数字设备到电动汽车,可充电锂离子电池已经在社会生活中得到了广泛应用。然而,由于基于插入机制的电极材料能量密度有限,传统的锂离子电池渐渐不能满足新兴领域日渐增长的能量需求。
作为锂离子电池的“近亲”,锂金属电池发展前景十分可观。相较于锂离子电池,其不仅能储能更多、充电速度更快,重量也更轻。但目前,锂金属电池的商业用途依然有限,主要原因之一是因为枝晶的形成。
树枝状结晶普遍存在于锂电池的阳极,简要来说主要因为电池在放电与充电的过程中,锂离子可能会不均匀的分布在电极上,进而造成阳极上会开始形成一些像树枝状的的结构,当树枝状的结构越来越长就可能造成电池短路甚至火灾。如何阻止或减缓枝晶的形成,成为有效解决锂金属电池退化和失效的“痛点”。
为了解决这一问题,近日,斯坦福研究人员开发了一个数学模型,将形成枝晶的物理和化学过程整合在一起。当更换具有某些特性的新电解质,锂离子会通过电解质在电池的两个电极之间移动,从而减缓甚至完全阻止枝晶生长。
具体来说,该研究要求的电解质设计新策略包括了解材料的各向异性。材料的各向异性是指材料在互相垂直的两个方向上具有不同的性能指标,如许多材料在横向与纵向两个方向上的抗拉强度明显不同,这意味着它们在不同的方向上表现出不同的性质。
木材是典型的各向异性材料,其纹理的方向性非常强,很多时候可以看到木材的线条,而非纹理。在各向异性电解质的情况下,这些材料可以微调离子传输和界面化学之间的复杂相互作用,阻止枝晶的形成。
此外,研究人员还在电池隔板上确定了另一种方法集中—— 一种防止电池两端电极接触和短路的薄膜。根据开发出的具有孔隙特征的新型隔板,能够使锂离子以各向异性的方式在电解液中来回通过。
基于这些突破,未来有望构建一个“数字化身”的成熟锂金属电池系统(DABS)。目前,相关研究已经发表在《电化学学会杂志》(Journal of The Electrochemical Society)上。
原文标题 : 陈根：新数学模型，或可推动下一代锂电池发展
