根據(jù)最近發(fā)表在《自然-能源》上的一篇論文，一個工程師團(tuán)隊(duì)在開發(fā)快速充電的鋰金屬電池方面取得了重大進(jìn)展。這些電池能夠在短短一小時內(nèi)完成充電，這要?dú)w功于均勻的鋰金屬晶體的生長，這些晶體可以在一個令人驚訝的表面迅速播種。這項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)為未來的能源儲存帶來了巨大的希望。
在一篇新的《自然-能源》論文中，工程師們報(bào)告了在實(shí)現(xiàn)快速充電--快至一小時--的鋰金屬電池方面的進(jìn)展。這種快速充電要?dú)w功于鋰金屬晶體，這種晶體可以在一個令人驚訝的表面上快速而均勻地播種和生長。訣竅是使用一種鋰一般不
"喜歡
"的晶體生長表面。從這些種子晶體中生長出密集的均勻金屬鋰層。電池研究人員對均勻的金屬鋰層非常感興趣，因?yàn)樗鼈內(nèi)狈Ρ环Q為樹枝狀物的降低電池性能的尖峰。電池陽極中這些樹枝狀物的形成是快速充電的超能量密度鋰金屬電池的一個長期障礙。由加州大學(xué)圣地亞哥分校工程師領(lǐng)導(dǎo)的這種新方法使鋰金屬電池在大約一小時內(nèi)完成充電，這一速度與當(dāng)今的鋰離子電池相比具有競爭力。加州大學(xué)圣地亞哥分校的工程師與加州大學(xué)歐文分校的成像研究人員合作，在《自然-能源》雜志上于2023年2月9日發(fā)表了這項(xiàng)旨在開發(fā)快速充電的鋰金屬電池的進(jìn)展。
為了生長鋰金屬晶體，研究人員用氟化鋰(LiF)和鐵(Fe)組成的疏鋰納米復(fù)合材料表面取代了鋰金屬電池負(fù)極(陽極)上無處不在的銅表面。使用這種疏水性表面進(jìn)行鋰沉積，形成了鋰晶體種子，并從這些種子中生長出密集的鋰層--即使在高充電率下。結(jié)果是可以快速充電的長循環(huán)壽命的鋰金屬電池。
"新的發(fā)現(xiàn)就是這種特殊的納米復(fù)合表面。"加州大學(xué)圣地亞哥分校納米工程教授劉平如是說，他是這篇新論文的資深作者。"我們挑戰(zhàn)了需要什么樣的表面來生長鋰晶體的傳統(tǒng)觀念。普遍的看法是，鋰在它喜歡的表面，即親鋰的表面上生長得更好。在這項(xiàng)工作中，我們表明這并不總是真的。我們使用的基質(zhì)并不喜歡鋰。然而，它提供了豐富的成核點(diǎn)和快速的表面鋰運(yùn)動。這兩個因素導(dǎo)致了這些美麗晶體的生長。這是一個科學(xué)解決技術(shù)問題的好例子。"
由加州大學(xué)圣地亞哥分校納米工程師領(lǐng)導(dǎo)的新進(jìn)展可以消除阻礙能量密集型鋰金屬電池在電動汽車(EVs)和便攜式電子產(chǎn)品等應(yīng)用中廣泛使用的一個重要障礙。雖然鋰金屬電池因其高充電密度而在電動汽車和便攜式電子產(chǎn)品中具有巨大的潛力，但今天的鋰金屬電池必須以極慢的速度充電，以保持電池的性能和避免安全問題。慢速充電是必要的，以盡量減少破壞電池性能的鋰枝晶的形成，因?yàn)殇囯x子與電子結(jié)合，在電池的陽極側(cè)形成鋰晶體。鋰晶體在電池充電時積聚，而鋰晶體在電池放電時溶解。
在這張SEM圖像中，大而均勻的金屬鋰晶體在一個表面上生長，這令人驚訝，因?yàn)樗⒉?"喜歡 "鋰。加州大學(xué)圣地亞哥分校的電池研究人員發(fā)現(xiàn)，金屬鋰晶體可以被啟動(成核)，并快速而均勻地生長為密集的金屬鋰層，而這些金屬鋰層缺乏性能退化的枝晶。在2023年2月9日發(fā)表的《自然-能源》論文中，加州大學(xué)圣地亞哥分校的電池研究人員表明，這種鋰晶體種子的意外形成導(dǎo)致即使在高充電率下也能形成致密的鋰層，從而形成長周期壽命的鋰金屬電池，也可以快速充電。這一發(fā)現(xiàn)克服了可充電鋰金屬電池的一個普遍現(xiàn)象，即高速充電總是導(dǎo)致多孔的鋰和短周期壽命。通過用這種由氟化鋰和鐵制成的疏水性表面取代鋰金屬電池負(fù)極(陽極)上無處不在的銅表面，研究人員為創(chuàng)造更可靠、更安全、更高性能的鋰金屬電池開辟了一條新途徑。
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