科学|通往持久锂电池的途径
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朱莉娅 · 格里尔的新研究证明了锂在纳米尺度上的非凡强度 ， 在纳米尺度上 ， 生长的 “树突” 会短路或损坏电池 。
几乎每个人都忍受了手机没电的挫折 ， 尽管电动汽车越来越受欢迎 ， 在电池没电之前 ， 它们仍然受到行驶距离的限制 。 事实上 ， 电池的能量密度-它们以给定的质量或体积包装多少能量-一直是消费电子产品 ， 电动汽车和可再生能源的主要挑战 。
加州理工学院的新进展可能会大大有助于改善现状 。 朱莉娅 · R实验室的研究人员 。 格里尔有了一个发现 ， 可能会导致锂离子电池既安全又强大 。 他们的发现为如何锂-离子电池 ， 可充电电池中最常见的一种 ， 可以安全地容纳高达 50% 的能量 。
传统的锂离子电池使用石墨来构成阳极 ， 阳极是电流进入电池单元的电极 。 30 年来 ， 石墨一直是这项任务的首选材料 ， 因为它重量轻、稳定、价格合理 ， 能够承受无数电池循环的严酷考验 。 但加州理工学院的Ruben F.Greer说 ， 这项工作有更好的材料 。
“每一个需要电力的应用都将受益于锂电池而不是石墨阳极的电池 ， 因为它们可以提供更多的电力 ， ” 她说 。 “锂重量轻 ， 不占用太多空间 ， 而且能量密度极大 。 "
但问题是金属锂: 当电池经过许多充放电循环时 ， 锂自然形成树突 ， 晶体产生一种分支树状结构 。 在电池充电期间 ， 树突在锂金属电池中不受控制地生长 ， 并且可以像微小的电线一样短路并在电池穿透系统时杀死电池 。
【科学|通往持久锂电池的途径】研究人员长期以来一直在寻找新的方法来防止这种增长 ， 格里尔说 。 一种可能的方法是将某些东西物理地压在锂金属上以抑制树突 。 而典型的锂离子电池有一个液体电解质-将两个电池电极分开并通过锂离子移动的物质-使用固体电解质的电池理论上可以施加足够的机械压力来抑制树突 。
然而 ， 在对含有固体电解质的电池的研究中 ， 树突仍然在生长 。
格里尔怀疑固体电解质的强度不足以抵抗 。 枝晶增长是因为研究人员低估了树突的强度 ， 其尺寸在纳米尺度;他们降低了它 ， 因为宏观锂是一种相对较软的金属 ， 可以与铅和锡相比 。 她说 ， 金属在小范围内可能比在更大范围内强 100 倍 。
“如果你想到珠宝 ， 比如黄金或铜 ， 它很有延展性 。 你可以用自己的手轻松变形它 ， “格里尔说 ， 他专门研究纳米材料的机械性能 。 “但是当你降低相同金属的尺寸时 ， 你的强度会增加一个数量级以上 。 "
2015年 ， 格里尔和她的同事雕刻了锂的微小支柱 ， 并测试了它们的弹性 ， 发现它们至少比人们认为的要强大一个数量级 。 格里尔说 ， 这个实验装置并没有完全反映锂树突在真正电池中的行为方式 。 为了更准确地模仿这一点 ， 她和她的合作者 ， 包括格里尔实验室校友迈克尔 · 希特林和博士后学者杨恒 ， 以及来自前沿技术的西蒙 · 尼赫 ， 制造了一种电池 ， 旨在生长与电池中形成的锂树突非常相似的纯锂树突 。 研究人员发现 ， 这些树突比散装锂强 24 倍 。
有了这些信息 ， 研究人员现在对锂阳极电池工作需要什么有了更好的了解 。 格里尔说 ， 这是一个重大的研究挑战 ， 因为通常用于固体电解质的聚合物和陶瓷材料都有缺点 。 大多数聚合物太软 ， 无法承受枝晶生长 ， 而陶瓷在枝晶施加的压力下容易开裂 。
有了这些新发现 ， 科学家们有了一个起点 。 “这与电池随着研究的进行 ， 基础研究与技术进步有多大关系的真实表现 ， ”她说 。
该研究发表在该杂志的一篇论文中 。 公告夫人,标题为 “从离子到原子再到枝晶: 电沉积锂的形成和纳米机械行为 。 "
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