科學家展示鋰金屬電池設計：在空心多孔碳結(jié)構(gòu)中儲存離子以實現(xiàn)快速充電

據(jù)New Atlas報道，韓國國家科技研究委員會的科學家們展示了一種很有前景的新電池結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可以大大改善容量和充電時間。這一突破源于高密度鋰金屬電池的新設計，該設計仔細控制有問題的離子生長，使其能夠在數(shù)百次循環(huán)中保持功能。

目前使用的鋰電池有一個由石墨制成的陽極組件，但如果科學家們能夠使用純金屬鋰來代替，這將標志著能源儲存技術的巨大飛躍。這是因為鋰金屬的理論容量約為石墨的10倍，約為3860mAh/g，而石墨為372mAh/g，這將使電動汽車在每次充電后行駛得更遠，或者使智能手機能夠運行一周時間。

但是，這些電池通過不同的化學反應產(chǎn)生能量，而這些反應帶來了另一組需要解決的問題。隨著鋰金屬電池的循環(huán)，鋰離子在陽極表面不均勻地生長，形成被稱為枝晶的結(jié)構(gòu)。這些突起會導致陽極膨脹，電池短路或起火。大量的研究都集中在解決這個問題上。

這項新研究的作者用一種具有空心的多孔碳結(jié)構(gòu)來解決這個問題，作為陽極。這些被稱為Li-confinablecore–shellhosts的結(jié)構(gòu)被認為是這一領域令人振奮的前景，它們能夠在循環(huán)過程中通過將鋰存放在空心中來防止枝晶生長和體積膨脹。然而，它們確實在另一個方面存在著不良的電化學性能，在操作過程中仍然在結(jié)構(gòu)的表面形成不良的鋰生長，這就是所謂的頂部電鍍。

該團隊已經(jīng)為這些結(jié)構(gòu)開發(fā)了一種新的設計，在中空核心中加入了少量的金納米粒子。這些顆粒對鋰離子有親和力，因此能夠控制它們的生長方向，將它們誘入核心，同時還在外殼中形成納米級的孔隙，進一步促進鋰離子向空心中心遷移。

這有助于防止枝晶生長和頂部電鍍，由此產(chǎn)生的電池設計在該團隊的模擬實驗中顯示出巨大的潛力。在高電流充電條件下，鋰離子沉積被保持在結(jié)構(gòu)內(nèi)，并使其在高電流密度下的500次充電循環(huán)中保持82.5%的容量。研究小組認為，這種壽命和對高電流密度的耐受性指向了一種高容量的電池，它還可以快速充電。

領導該研究小組的Byung GonKim博士說：“盡管有高容量的優(yōu)點，鋰金屬電池在商業(yè)化方面還有許多障礙需要克服，主要是由于穩(wěn)定性和安全性問題。我們的研究是非常有價值的，因為我們開發(fā)了一種大規(guī)模生產(chǎn)具有高庫侖效率的鋰金屬儲能器的技術，用于快速充電的鋰金屬電池。”

該團隊正在努力使該電池技術商業(yè)化，但首先需要開發(fā)一種兼容的電解質(zhì)溶液，以便在使用過程中傳輸離子。

該研究發(fā)表在《ACS Nano》雜志上。

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