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麻省理工秀出电池阳极新技术

日期:2020-02-10    来源:智东西

国际新能源网

2020
02/10
09:09
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关键词: 麻省理工 电池技术 正极材料

   据外媒报道,麻省理工学院(MIT)的科学家们近日公布了一项锂金属阳极技术,他们将金属锂置于蜂窝结构的MIEC管道中,并在金属锂之间留有空隙,从而释放金属锂因充电膨胀带来的应力,解决了固体电池研发中最关键的问题之一。
  通过这项技术,科学家们可以显著改善未来电池的寿命和能量密度。据项目主要负责人李博士(Ju Li)介绍,未来手机每三天充一次电将成为可能。
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  一、固体电解质与金属阳极的矛盾
  金属阳极的研究是开发安全的全固态电池的重要环节之一。通过这项新技术设计的固态电池,不需要使用常见的液体电解质或者聚合物凝胶电解质,是纯固态的。
  电解质使锂离子在电池的充电和放电循环中可以来回运动,而全固态电解质比液态电解质要更加安全。液态电解质通常具有很强的挥发性,也是锂电池在某些情况下发生爆炸的根源。
  项目的主要负责人李博士说:“研究使用锂金属作为正极,并使用固体作为电解质的电池已经不是什么新鲜事,但是目前的许多研究都面临一些问题。”
  最大的问题之一是,当电池充满电时,原子会在锂金属内部积聚,从而使其膨胀。然后,随着电池的使用,锂金属在放电过程中会再次收缩。锂金属尺寸的反复变化会使它难以与固体电解质保持恒定的接触,并且还会导致固体电解质的破裂或分离。
  另一个问题是,目前常见的固体电解质在与高反应性锂金属接触时,化学稳定性普遍不好,并且随着时间的流逝,这些固体电解质还会趋于降解。
  二、百亿个“发动机活塞“组成的阳极
  大部分科学家在解决上述这些问题时,都集中在设计对锂金属绝对稳定的固体电解质材料上,事实证明这是非常困难的。
  相反,李博士和他的团队采用了一种不同的设计思路。他们利用了另外两种固体:与锂接触后在化学上绝对稳定的混合离子电子导体(MIEC)和电子锂离子绝缘体(ELI)。
  科学家们开发出了一种蜂窝状六边形MIEC管三维纳米结构,该结构中的一部分管内被注入了固态锂金属以形成电池的阳极,但每根管内的固态金属锂之间都留有多余的空间。
  当锂在充电过程中膨胀时,它会像液体一样流入管内部的空白空间里。这种流动是完全限制在蜂窝结构内部的,可以释放由于充电引起的膨胀压力,但又不会改变电极的外部尺寸。另一种材料ELI是MIEC管壁和固体电解质层之间的关键粘合剂。
  李博士说,该蜂窝结构的每个管中的空隙都可以使金属锂“向后蠕变”进入管中,这样一来,它就不会产生应力从而导致固体电解质破裂。
  “金属锂在管道中膨胀收缩,像外向内反复运动,就像汽缸内的汽车发动机活塞一样。由于这些结构是按纳米级尺寸建造的(管子的直径约为100至300纳米,高度为数十微米),所以整个结构系统就像是具有100亿个活塞的发动机一样。”
  三、手机三天充一次不是梦
  李博士说,由于这些蜂窝状结构的管道是由化学性非常稳定的MIEC材料制成,所以金属锂会时刻保持与管壁的紧密接触。也正因如此,整个固体电池在其使用周期中可以保持机械和化学上的双重稳定性。
  他的团队已通过实验证明了这一点,被测试的原型电池经过100次充放电循环,也没有产生任何固体破裂现象。
  李说,目前大部分所谓的固态电池,使用的都是混合液态电解质和固态电解质材料,这些电池也可以很好的工作,但是我们这次设计的是纯粹的固态的电池,没有任何液体或凝胶。
  在相同的存储容量下,利用新技术设计的电池阳极可能仅为传统阳极重量的四分之一。如果与当下研究的先进轻型阴极相结合,可能会大幅减少锂电池的总重量。未来,手机每三天充一次电将成为可能。
  结语:固体电池研究又向前迈进一步
  此次麻省理工学院科学家们研发的固体电池阳极新技术,解决了纯固体电池研究中的金属形变难题,从而极大的减小了电池的体积和重量。
  目前电池技术已经成为了制约手机、电动汽车等产品性能进一步提升的主要瓶颈之一。无论是石墨烯技术,还是麻省理工学院科学家们此次的研究成果,都不断推进着电池技术的进步。
  相信在不远的将来,电池技术会迎来令人欣喜的跨越式前进。
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