科學(xué)家打造下一代鋰電池“數(shù)字化身”

鋰金屬電池是可充電鋰離子電池的“近親”，廣泛應(yīng)用于便攜式電子產(chǎn)品和電動(dòng)汽車領(lǐng)域。作為下一代能源存儲(chǔ)設(shè)備，鋰金屬電池應(yīng)用有著光明前景。

現(xiàn)在，美國(guó)斯坦福大學(xué)的一項(xiàng)新研究為制造更好、更安全的鋰金屬電池指明了一條前進(jìn)的道路。相關(guān)研究近日發(fā)表于《電化學(xué)學(xué)會(huì)雜志》。

更長(zhǎng)壽的鋰電池

與鋰離子電池相比，鋰金屬電池可以儲(chǔ)存更多的能量，充電速度更快，重量也更輕。

但到目前為止，可充電鋰金屬電池的商業(yè)用途還很有限。

一個(gè)主要原因是“樹突”——隨著鋰金屬在電極上積累而生長(zhǎng)的樹狀結(jié)構(gòu)的形成，這些枝晶會(huì)降低電池性能，并最終導(dǎo)致故障，在某些情況下，甚至?xí)l(fā)火災(zāi)。

斯坦福大學(xué)的研究人員試圖從理論角度解決枝晶問題。他們開發(fā)了一個(gè)數(shù)學(xué)模型，可將涉及“樹突”形成的物理和化學(xué)問題結(jié)合在一起。

該模型提供了一種見解，即在新的電解質(zhì)(鋰離子在電池內(nèi)兩個(gè)電極之間移動(dòng)的介質(zhì))中交換一定的特性，以減緩甚至完全阻止枝晶的生長(zhǎng)。

“我們的目的是服務(wù)于更長(zhǎng)壽命的鋰金屬電池的設(shè)計(jì)。”該研究第一作者、斯坦福大學(xué)能源工程領(lǐng)域博士生Weiyu Li說，“我們的數(shù)學(xué)框架解釋了鋰金屬電池的關(guān)鍵化學(xué)和物理過程。”

“這項(xiàng)研究提供了有關(guān)樹突形成條件的一些具體細(xì)節(jié)，以及抑制它們生長(zhǎng)的潛在途徑。”該研究共同通訊作者，斯坦福大學(xué)地球、能源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院教授Hamdi Tchelepi說。

阻止枝晶形成

長(zhǎng)期以來，實(shí)驗(yàn)人員一直努力探究導(dǎo)致枝晶形成的因素，但實(shí)驗(yàn)室工作是勞動(dòng)密集型的，很難解釋研究結(jié)果。為此，研究人員開發(fā)了電池內(nèi)部電場(chǎng)和鋰離子通過電解質(zhì)材料傳輸?shù)臄?shù)學(xué)模型，以及其他機(jī)制。

這樣，有研究結(jié)果在手，實(shí)驗(yàn)人員就可專注于開發(fā)在物理上合理的材料和建筑組合。“希望其他研究人員可以利用我們的發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)具有正確性能的設(shè)備，并減少他們?cè)趯?shí)驗(yàn)室中必須進(jìn)行的反復(fù)試驗(yàn)和縮小實(shí)驗(yàn)變化的范圍。”Tchelepi說。

具體來說，這項(xiàng)研究要求的電解質(zhì)設(shè)計(jì)新策略包括了解材料的各向異性，這意味著它們?cè)诓煌较蛏媳憩F(xiàn)出不同的性質(zhì)。木材是典型的各向異性材料，其紋理的方向性非常強(qiáng)，很多時(shí)候可以看到木材的線條，而非紋理。

在具備各向異性電解質(zhì)的前提下，這些材料可以微調(diào)離子傳輸和界面化學(xué)之間的復(fù)雜相互作用，阻止枝晶的形成。研究人員指出，一些液晶和凝膠顯示出這些特性。

該研究確定的另一種方法集中在電池隔板上—— 一種防止電池兩端電極接觸和短路的薄膜。他們表示可以設(shè)計(jì)出具有孔隙特征的新型隔板，使鋰離子以各向異性的方式在電解液中來回通過。

構(gòu)建“數(shù)字化身”

該團(tuán)隊(duì)期待看到其他科學(xué)家繼續(xù)沿著他們給出的“線索”開展研究。接下來的步驟包括制造依賴新電解質(zhì)配方和電池架構(gòu)的設(shè)備，測(cè)試哪些設(shè)備可能是有效、可擴(kuò)展和經(jīng)濟(jì)的。

“在復(fù)雜電池系統(tǒng)的材料設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方面還要進(jìn)行大量研究。”該研究共同通訊作者、斯坦福大學(xué)能源工程教授Daniel Tartakovsky說。

根據(jù)這些最新研究結(jié)果，Tartakovsky和同事正在構(gòu)建一個(gè)被稱為“數(shù)字化身”的鋰金屬電池系統(tǒng)(DABS)虛擬代表。

“這項(xiàng)研究是DABS的關(guān)鍵組成部分，我們的實(shí)驗(yàn)室正在開發(fā)一種全面的‘數(shù)字化身’或鋰金屬電池的復(fù)制品。”Tartakovsky說，“有了DABS，我們將繼續(xù)提升這些有前途的儲(chǔ)能設(shè)備的技術(shù)水平。”

相關(guān)論文信息：

https://doi.org/10.1149/1945-7111/ac7978