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鋰電新突破:碳納米管薄膜包覆陽極 電量提升3~5倍

鋰電池的技術發展,已經多年沒有取得突破性的進展。究其原因,是難以在提升容量密度的同時,保證材料安全、穩定、快速地重複充放電。導致衰減的罪魁禍首,就是微觀結構上的鋰晶枝。這些尖銳的針狀結構,可能會刺破電芯的隔膜,導致短路、甚至起火。限製其增長的一種方法,就是控製電池的充電速率。但在生活節奏日漸加快的當下,這樣的妥協是難以接受的。

好消息是,萊斯大學的科學家們,已經找到了一種讓當前廣泛使用的鋰離子電池容量成倍提升的好方法。

這項電池技術的突破,集中在一種穿上碳納米薄膜的新型陽極材料上。

此前,有實驗室借助過凱夫拉纖維來限製晶枝的生長、或者使用全新類型的電解質(攜帶電荷的化學溶液)。

早在去年的時候,萊斯大學的同一研究團隊,就已經開發出了一種用瀝青製成的鋰金屬電池。它的充電速度更快、且對晶枝的形成有更強的抵抗力。

現在,研究團隊更進了一步,將碳納米薄膜引入其中。它被用於塗覆電池的鋰金屬陽極,用於更有效地浸沒晶枝,類似於拿重物壓草坪、以抑製雜草。

對比圖:右側為沒有碳納米管薄膜來限製鋰晶枝的金屬陽極。

這種薄膜從陽極吸收鋰離子,並在充電過程中分配它們。但所有這些,都不會影響電池的充電速率。研究合著者 Rodrigo Salvatierra 表示:碳納米管薄膜的作用,是將沉積的金屬鋰散布開來,從而形成一個沒有晶枝的光滑層。這樣的改進,並不會限製此類電池的充電速率、甚至放心地運用高倍率充放電。

在將新組件部署到去年的瀝青-鋰電池後,研究人員發現其在超過 580 次循環後,依然能夠防止晶枝的生長。此外電池的庫倫效率保持在 99.8%,成品也更易於打造。

左一起為萊斯大學化學家 James Tour、研究生 Gladys López-Silva、以及博士後研究員 Rodrigo Salvatierra 。

不過 Salvatierra 解釋到:與早先的瀝青電池相比,它有一些不同的地方。

首先,我們用碳納米管薄膜來修飾固態的鋰金屬箔,這兩種材料早已做好了被電池所用的準備。

其次,在瀝青衍生的電極中,鋰金屬必須進行電化學沉積,才能在完整的電池裝置中使用。

最終,采用這種新型陽極的電池,能夠較市售產品存儲 3~5 倍的電量。即便充滿後放置一個月,其電荷損失也都可以忽略不計。換言之,它會是一種可靠的長期儲能解決方案。

有關這項研究的詳情,已經發表在近日出版的《先進材料》(Advanced Materials)期刊上。原標題為:《Suppressing Li Metal Dendrites Through a Solid Li‐Ion Backup Layer》

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