鋰金屬因具有高比容量,,是最有前景的下一代電池陽極。不過,,其廣泛應用受到挑戰(zhàn)性阻礙:在多次充放電循環(huán)中,,稱作樹突的枝晶會通過電解質從電池負極生長到正極,導致電池內部短路,,造成嚴重的安全問題,。
(圖片來源:卡內基梅隆大學)
然而,,據(jù)外媒報道,,美國卡內基梅隆大學(Carnegie Mellon)機械工程系助理教授Venkat Viswanathan研究了固態(tài)離子導體(SIC)組件可作為陽極和電解質之間的隔板,阻止樹突蔓延,。
研究人員們首先設計了一個理論模型,,以建立SIC必須遵守的設計規(guī)則,確保電沉積循環(huán)的穩(wěn)定,。從該模型中,,研究人員了解到此種穩(wěn)定性主要取決于SIC的兩個特性:剪切模量(測量剛度)和鋰離子在SIC移動時所占的體積。
剪切模量更低且鋰體積較小的材料會抑制樹突的生長,,而剪切模量高且鋰體積大的材料則會阻止樹突(蔓延),,從而實現(xiàn)了兩個穩(wěn)定的區(qū)域:一個抑制樹突的區(qū)域,一個阻斷樹突的區(qū)域,。雖然在電化學領域,,人們已經(jīng)知道并研究了阻斷樹突的機制,但是尚未探索出抑制樹突生長的機制,。
通過與勞倫斯伯克利國家實驗室(LBNL)Brett Helms團隊合作,,研究人員們意識到以前從未被認識到的穩(wěn)定區(qū)域是取得重大科學進步的巨大機會,于是,,設計了一種基于聚合物的復合SIC,,專用于探測抑制樹突生長的機制,,并驗證假設。
通過一系列計算和實驗技術,,研究人員們證明,,通過訪問之前未知的穩(wěn)定區(qū)域,此種材料確實可以避開樹突生長的障礙,,畢竟樹突一直在阻礙鋰金屬用作高容量陽極,。
他們的研究可作為進一步研發(fā)下一代電池的基礎,而下一代電池對于驅動飛行汽車等新技術將必不可少,。