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纯锂阳极结构新设计,可开发安全不膨胀的固态电池

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打造纯锂金属阳极固态电池是科学家的梦想,它抹去锂离子电池的爆炸风险、能量密度还大幅提高,然而最大障碍时固态电池在使用过程中会膨胀破裂。最近,麻省理工学院团队新设计一种锂金属阳极结构,让固态电池在整个充放电週期中保持化学稳定性。

我们常在汽车、手机等产业中听到的锂电池是锂离子电池,多由一个石墨负极、一个採用钴、锰或磷酸铁的正极、以及用来运送锂离子的电解液构成,优点是能量密度比其他种类的电池高、输出功率大、无记忆效应,但缺点也很多,比如电解液具高挥发性(爆炸风险源头)、怕热等。

但在固态电池中,改以固体电解质取代液态电解质、电极由纯锂金属构成,不只电池更安全、更不易着火,能量密度还能翻倍提升,大幅增加续航力,最大问题在于电池充满电时,锂金属内部会积聚原子导致电池膨胀,放电时电池又收缩,反覆折腾就可能导致固态电解质破裂;此外,固体电解质随着时间推移也会发生降解。

为了克服上述问题,多数研究都集中在设计对锂金属绝对稳定的固体电解质材料,事实证明:这道技术很困难,固态电池至今都还未能成功商业化。

麻省理工学院团队採取了不同思维的设计:混合离子-电子导体(mixed ionic-electronic conductors,MIEC)与电子-锂离子绝缘体(electron and Li-ion insulators,ELI),可以确保在与锂金属接触后保持绝对稳定性。

研究人员设计出蜂窝状三维奈米结构,结构中的管状阵列由 MIEC 製成,然后注入锂金属形成一个电极,每根管内部都留有多余空间,好让电池在充电过程中膨胀时,电极依然能维持其固态晶体结构、避免撑开外壁;ELI 则做为 MIEC 与固体电解质层之间的关键黏合剂。

团队目前已藉实验证明,这种设计在经过 100 次充放电循环后,都不会导致固态电池膨胀破裂。如果在相同储存容量下比较,则新电池的重量可能仅传统锂离子电池的四分之一,如果再结合良好的阴极设计,则配备在手机上每 3 天仅需充电一次。

新论文发表在《自然能源》(Nature Energy)期刊。

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