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賓大工程師設計可反復充電電極 緩解鋰資源壓力

鉅大LARGE  |  點擊量:971次  |  2020年04月28日  

(圖源:penn官網)


可充電鋰離子電池是一項革命性技術,廣泛應用于從手機到汽車的方方面面。但是,鋰離子電池不能無限充電,在每次充放電循環中,電池中的材料都會膨脹開裂,逐漸降低存儲性能,直至失效。因此,對新鮮鋰、鈷和其他必要元素的需求不斷上升,給自然資源造成壓力。


據外媒報道,賓夕法尼亞大學的工程師們,希望使用非鋰金屬離子,設計一種可反復充電的電極,提高電池工作效率。據認為,鎂離子電池是一種很有前途的替代品,但是,能夠可逆存儲鎂的材料,更容易出現裂紋和其他問題。


該校研究人員找到一種解決方法,在鎂離子電池的負極中,加入熔點略高于室溫的金屬鎵。在每個充放電周期中,這些負極出現融固化現象,可以“愈合”裂紋,防止出現膨脹,從而提升可充電電池的存儲能力。這項研究由賓大工學院材料科學與工程系教授EricDetsi,以及他實驗室的研究生LinWang和SamuelWelborn領導進行。實驗表明,新型鎵基負極能夠明顯延長鎂離子電池的壽命,而且不要昂貴的納米材料。這些特性使鎂離子電池非常適合大規模應用,減輕鋰資源壓力。


Wang表示:“由于結合和釋放離子,大多數電極材料的體積會發生變化。固體-固體相變帶來的應力累積會破壞電池,使其發生裂解。”在室溫下,純鎵是一種具有延展性的銀色金屬,很容易被誤認為是鋁或鎳。這種材料的熔點為85華氏度,將其握在手中,體溫足以將一塊固體鎵轉變成類似水銀的液體。Welborn表示:“在我們的新研究中,材料不是從一種固體變成另一種固體,而是從原來的固體變成液體。因為不存在固體-固體相變應力,所以可以抑制裂解。”


在該研究中,在該研究中,起初鎵以固體形式出現與鎂構成合金,形成微米級顆粒。“為了用電子方式連接這些小顆粒,”Wang說,“我們把它們放入由碳纖維、炭黑和石墨烯組成的導電網狀物中,這些材料都用粘合劑粘在一起。”當鎂離子與鎵分離時,由于電池在略高于鎵熔點的溫度下工作,鎵就轉變為液態。Welborn稱:“因為被包裹在其他材料網狀物中,所以當鎵從固體變成液體時,不會像普通液體那樣四處流動。”


研究人員利用X射線檢查電池內部材料的晶體結構。他們發現,當電池充電時,離子回到負極,并重新形成固態的鎵鎂顆粒。重要的是,在每個循環過程中,這些顆粒都能重新生成,所以不會出現裂紋,降低電池性能。研究人員開發的實驗電池,能夠承受超過1000次的充電循環,大約是目前最先進的鎂離子電池的5倍。


Detsi稱:“很明顯,我們要電池替代技術。這樣做不是為了取代鋰,而是為了支持鋰資源。在這項研究中,電池所展現出的上千次循環,代表重大的進步。我們的夢想是,利用這種獨特的自愈行為,設計一種可以無休止充放電的電池。”


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