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新的电极设计可能导致更强大的电池

麻省理工学院的一个研究小组已经设计出一种锂金属阳极,它可以提高未来电池的寿命和能量密度。

麻省理工学院(MIT)和其他地方的工程师进行的一项新研究可能会开发出每磅容量更大、续航时间更长的电池,这是基于一个长期追求的目标,即使用纯金属锂作为电池的两个电极之一——阳极。 

新电极概念来自巴特尔能源联盟核科学与工程教授、材料科学与工程教授李菊的实验室。今天,《自然》(Nature)杂志刊登了一篇由麻省理工学院(MIT)的陈宇明(Yuming Chen)和王梓强(Ziqiang Wang)合著的论文,论文作者还包括麻省理工学院(MIT)、香港、佛罗里达和得克萨斯的11位教授。

该设计是开发安全的全固态电池概念的一部分,省去了通常用作电池两个电极之间的电解质材料的液体或聚合物凝胶。电解质允许锂离子在电池的充放电周期中来回移动,而全固态电解质可能比液体电解质更安全,因为液体电解质具有高挥发性,是锂电池爆炸的根源。

“在固态电池、锂金属电极和固态电解质方面已经做了很多工作,”李说,但这些努力面临着许多问题。

最大的问题之一是,当电池充电时,原子会在锂金属内部积聚,导致锂金属膨胀。当电池使用时,金属在放电时再次收缩。这些金属尺寸的反复变化,有点像吸入和呼出的过程,使得固体很难保持恒定的接触,并容易导致固体电解质断裂或分离。

另一个问题是,所提出的固体电解质在与高活性锂金属接触时,没有一种是真正的化学稳定的,而且随着时间的推移,它们往往会降解。

克服这些问题的大多数尝试都集中在设计固态电解质材料上,这种材料在锂金属的作用下是绝对稳定的,而锂金属的作用是非常困难的。相反,李和他的团队采用了一种不同寻常的设计,利用了另外两类固体,“离子-电子混合导体”(MIEC)和“电子和锂离子绝缘体”(ELI),它们在与锂金属接触时化学性质绝对稳定。

研究人员开发了一种六边形MIEC管蜂窝状阵列的三维纳米结构,部分注入固体锂金属形成电池的一个电极,但每个管中都留有额外的空间。当锂在充电过程中膨胀时,它就会流入管道内部的真空区域,像液体一样流动,尽管它仍然保持着固态的晶体结构。这种流动完全被限制在蜂窝状的结构中,减轻了充电引起的膨胀带来的压力,但不改变电极的外部尺寸或电极与电解质之间的边界。另一种材料,ELI,作为MIEC墙壁和固体电解质层之间的关键的机械粘合剂。

“我们设计了这种结构,它给了我们三维电极,就像一个蜂巢,”李说。这种结构的每一根管子里的空隙允许锂“向后蠕动”进入管子,“这样,它就不会增加压力来破坏固态电解质。”“这些管子里的锂在扩张和收缩,它们会进出,有点像汽车发动机的活塞在气缸里。因为这些结构是在纳米尺度上建造的(这些管子直径大约是100到300纳米,高度是几十微米),结果就像“一个有100亿个活塞的发动机,以金属锂作为工作流体,”李说。

因为这些蜂窝状结构的壁是由化学上稳定的MIEC构成的,锂不会失去与材料的电接触,李说。因此,整个固体电池可以保持机械和化学稳定,因为它通过其使用周期。该团队已经通过实验证明了这一概念,他们让一个测试装置进行了100次充放电,而不会产生任何固体颗粒的破裂。

内径为100nm的碳小管可逆镀锂和剥离。感谢研究人员。

李说,尽管许多其他小组正在研究他们所谓的固体电池,但这些系统中的大多数实际上在某些液体电解质与固体电解质材料混合的情况下工作得更好。“但在我们的情况下,”他说,“一切都是实实在在的。里面没有任何液体或凝胶。”

新系统可以制造出安全的阳极,重量仅为传统锂离子电池的四分之一,存储容量相同。如果与另一种轻量型电极(阴极)的新概念相结合,这项工作将大幅降低锂离子电池的总体重量。例如,研究小组希望它能制造出每三天充电一次的手机,而不会使手机变得更重或更笨重。

李领导的另一个团队在上个月发表于《自然能源》(Nature Energy)杂志上的一篇论文中,描述了更轻阴极的一个新概念。这种材料将减少镍和钴的使用,这两种金属既昂贵又有毒,被用于当今的阴极。新阴极并不仅仅依赖于这些过渡金属在电池循环中的容量贡献。相反,它将更多地依赖氧的氧化还原能力,因为氧要轻得多,也更丰富。但在这个过程中,氧离子变得更具有流动性,这可能导致它们从阴极粒子中逃逸。研究人员用熔融盐对高温表面进行处理,在富含锰和锂的金属氧化物颗粒表面形成一层保护层,从而大大减少了氧的损失。

即使表面非常薄,在一个400纳米宽的粒子上只有5到20纳米厚,它也为底层材料提供了良好的保护。“这几乎就像免疫一样,”李说,以对抗在室温下使用的电池中的氧损失的破坏性影响。目前的版本提供了至少50%的能量,可以存储在一个给定的重量,与更好的循环稳定性。

到目前为止,这个团队只制造了小型的实验室规模的设备,但是“我希望它能迅速扩大,”李说。所需的材料主要是锰,比其他系统使用的镍或钴便宜得多,因此这些阴极的成本可能只有传统阴极的五分之一。

研究团队包括来自麻省理工学院、香港理工大学、中佛罗里达大学、德克萨斯大学奥斯汀分校和纽约厄普顿布鲁克海文国家实验室的研究人员。这项工作得到了国家科学基金会的支持。

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:http://news.mit.edu/2020/solid-batteries-lithium-metal-electrode-0203