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固态电池新突破!美研究团队用钠钾合金制成半固态金属电极,稳定又安全

2021-03-19 11:17 前瞻网   

 

固态电池新突破!美研究团队用钠钾合金制成半固态金属电极,稳定又安全

为智能手机、笔记本电脑和电动汽车提供下一代能源存储的众多潜在途径之一是使用固态电解质,以取代目前锂电池中使用的液态电解质。美国一个研究团队已经开发出了这种固态电池的原型,采用一种新颖的自愈合材料展示了稳定的高容量存储,克服了这一领域的一些关键障碍。

在今天的锂离子电池中,当电池充放电时,液态电解质携带锂离子在一对电极之间来回移动。如果电解质可以用固体材料代替,它可以使电池更安全,并使能量密度更大。实验证明,这种电池的储能能力是目前锂离子电池的两倍。

问题是,当电池循环时,一种叫做树突的触须状结构会在其中一个电极表面生长。这些微小的结构可能会导致电池短路和故障,甚至起火。因此,想出一种能够绕过这个问题的固态设计将是一个巨大的突破。

这项新研究的作者来自麻省理工学院、德州农工大学、布朗大学和卡内基梅隆大学,他们提出了一个很有前景的解决方案。研究人员开发了一种由钠-钾合金制成的半固态金属电极,就像牙医用来填充龋齿的材料——坚固,但可以流动和成型。

这种材料有一定的韧性,所以当它接触到固体电解质时,它就不会形成通常在完全固态但更脆的电极材料中会出现的微小裂纹,这种裂纹通常会导致树突的形成。

研究人员表示,“我们的动机是基于精心挑选的合金,开发一种电极,以便引入一种可以作为金属电极自愈元件的液相。”

在电池循环过程中,操作温度使材料保持在适当的半固态状态,以适应高电流(大约是使用固态锂的20倍),而不会形成树突。这解决了迄今为止固态电池的另一个缺点,它不允许以实际速度充电的电流密度,至少不能在不形成树突的情况下充电。

在另一种设计中,研究人员在电池中加入了一层液态钠-钾合金薄膜,将其夹在固体电极和固体电解质之间。这也阻止了树突的形成,开辟了另一条有趣的途径。

在这些实验性设计的早期结果的鼓舞下,研究人员现在正在研究将该技术应用于不同固态电池结构的方法,并对其可能性持乐观态度。

“我们认为,我们可以将这种方法应用到任何固态锂离子电池上。” 卡耐基梅隆大学机械工程教授、共同作者Venkatasubramanian Viswanathan说,“它可以立即在电池开发中广泛应用,从手持设备到电动汽车再到电动飞机。”

这项研究发表在《自然能源》杂志上。

译/前瞻经济学人APP资讯组

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责任编辑: 4114RWL

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