斯坦福大學(xué)開發(fā)新的數(shù)學(xué)模型 推動(dòng)下一代鋰金屬電池發(fā)展

與鋰離子電池相比，鋰金屬電池的能量密度更高，充電速度更快，重量也更輕，但其商業(yè)應(yīng)用一直受限，其中一個(gè)主要原因是枝晶生長(zhǎng)問題。據(jù)外媒報(bào)道， （Stanford University）開展新的研究，從理論角度探討枝晶問題，為制造更好、更安全的鋰金屬電池開辟了道路。

（圖片來源：斯坦福大學(xué)）

該校研究人員開發(fā)了一個(gè)數(shù)學(xué)模型，將形成枝晶的物理和化學(xué)過程整合在一起。該模型顯示，更換具有某些特性的新電解質(zhì)，可以減緩甚至完全阻止枝晶生長(zhǎng)。鋰離子通過電解質(zhì)在電池的兩個(gè)電極之間移動(dòng)。研究人員表示，這項(xiàng)研究旨在指導(dǎo)設(shè)計(jì)壽命更長(zhǎng)的鋰金屬電池。

設(shè)計(jì)方向

為了解枝晶形成的原因，研究人員開發(fā)了關(guān)于電池內(nèi)部電場(chǎng)和鋰離子通過電解質(zhì)材料傳輸?shù)臄?shù)學(xué)表達(dá)式，以及其他相關(guān)機(jī)制。

憑借這項(xiàng)研究的結(jié)果，研究人員可以專注于（物理上）合理材料和構(gòu)建組合。研究人員Hamdi Tchelepi表示：“希望其他研究人員此為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)具有適當(dāng)屬性的設(shè)備，并減少在實(shí)驗(yàn)室中反復(fù)進(jìn)行試驗(yàn)的次數(shù)，以及實(shí)驗(yàn)變化的范圍。”

具體來說，這項(xiàng)研究希望實(shí)現(xiàn)新的電解質(zhì)設(shè)計(jì)策略，包括追求材料的各向異性，即在不同的方向上表現(xiàn)出不同的性質(zhì)。使用各向異性電解質(zhì)，可以微調(diào)離子傳輸和界面化學(xué)之間復(fù)雜的相互作用，阻止枝晶形成。研究人員指出，一些液晶和凝膠顯示出類似特性。

該研究發(fā)現(xiàn)的另一種方法集中在電池隔膜上，這種薄膜可以防止電池兩端的電極接觸和短路。通過設(shè)計(jì)具有孔隙特征的新型隔膜，可使鋰離子以各向異性方式在電解質(zhì)中往返傳輸。

構(gòu)建和測(cè)試

該團(tuán)隊(duì)希望，其他研究人員能夠跟進(jìn)這項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)的“線索”。下一步將基于實(shí)驗(yàn)性新電解質(zhì)配方和電池架構(gòu)，制造和測(cè)試真實(shí)的設(shè)備，以驗(yàn)證其有效性、可擴(kuò)展性和成本。

在此基礎(chǔ)上，研究人員致力于構(gòu)建成熟的鋰金屬電池系統(tǒng)（DABS）的虛擬表示形式，也就是所謂的“數(shù)字化身”，以不斷提升這些領(lǐng)先儲(chǔ)能設(shè)備的性能。

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