馴服枝晶'可以帶來更好的鋰離子電池

研究人員已經(jīng)了解了鋰離子電池常見故障背后的機制，這種故障是由于“樹突”的形成和發(fā)展造成的，這些結(jié)果有助于設(shè)計更快充電和更持久的電池。

樹枝狀晶體是在電池內(nèi)生長的鋰形成物。因為它們在暴露于快速充電所需的大電流的同時生長得更快，樹枝狀晶體限制了再充電速度。

普渡大學(xué)材料工程教授EdwinGarcía說：“我們都有機會在機場等待兩三個小時等待我們的手機充電。” “更好地控制枝晶生長將導(dǎo)致更快的充電。”

電池具有兩個電極，稱為陽極和陰極，由絕緣聚合物隔開。以針狀形狀生長的樹突可能會破壞分離屏障，從而破壞電池。

11月1日在線發(fā)表在納米能源雜志上的一篇論文詳細介紹了這項新的研究成果，并將在未來的印刷版中出現(xiàn)。該論文由研究生Aniruddha Jana和García撰寫。

他們以前的研究主要集中在樹突的基本機制和電化學(xué)。

“從那以后我們發(fā)現(xiàn)，實際上這個問題比我們想象的要復(fù)雜得多，有內(nèi)部行為制度，”加西亞說。

眾所周知，樹突有兩種生長方式。在一種模式中，鋰在地層的頂端或頂蓋上成層累積，產(chǎn)生逐漸膨脹。在第二種模式中，樹突從基部生長，這比尖端擴張快得多且更危險。

然而，到目前為止，第二種增長形式的機制尚不清楚。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，向帽中添加鋰會產(chǎn)生應(yīng)力，導(dǎo)致堿從指數(shù)生長。

“事實證明鋰就像一管牙膏，”他說。“它非常柔軟，當你添加鋰時，它會強調(diào)枝晶，就像擠壓管子一樣。它只是噴出來的。”

研究結(jié)果還揭示了枝晶生長的第三種模式，即混合生長方式，它結(jié)合了兩種模式。

新發(fā)現(xiàn)將被納入更復(fù)雜的模型，以研究和預(yù)測枝晶生長和改進電池設(shè)計。

“了解樹突生長的機制是控制它們的第一步，”他說。“這使我們能夠找到更現(xiàn)實的策略來減輕枝晶生長，從而使電池更安全，并找到更好的充電策略。”

可能解決該問題的一種方法是誘導(dǎo)鋰均勻且相對平坦地生長而不是非均勻和尖銳的。不均勻生長意味著樹枝狀晶體在陽極表面上的不同位置處不均勻地發(fā)芽。García說，如果能夠誘導(dǎo)它們均勻地生長并以更加可控的方式生長，那么電池可以設(shè)計成適應(yīng)這種生長，防止地層到達陰極。

對于新興類型的電池來說，枝晶是一個更為嚴重的問題，稱為鋰陽極電池和鋰空氣電池。

雖然今天的電池中的陽極是由碳制成的，但這些新型電池中的陽極將由純鋰制成，這可能使容量增加十倍但使它們更容易受到枝晶的影響。

研究人員創(chuàng)建了“枝晶生長動力學(xué)的統(tǒng)一理論框架”，評估了枝晶形成和生長的不同驅(qū)動力的貢獻，并確定了五種“鋰生長方式”。

“這些研究結(jié)果提出了設(shè)計無樹枝狀鋰基陽極作為踏腳石的路線圖，以確定無枝晶的替代化學(xué)成分，”García說。

Jana進行了研究的數(shù)學(xué)計算，并在電池充電時創(chuàng)建了與枝晶生長相關(guān)的各種類型微結(jié)構(gòu)的目錄。