斯坦福最新研究:利用數學模型,突破鋰金屬電池發展「痛點」

  澎湃新聞記者 王蕙蓉

  近日,美國斯坦福大學一項新研究為製造更優質、更安全的鋰金屬電池指明了新的方向。

  前述大學研究人員開發出新的數學模型,從理論角度來探討鋰金屬電池中「枝晶」 (dendrites)問題,以突破鋰金屬電池中的發展「痛點」。相關成果發表在《電化學學會雜誌》(Journal of The Electrochemical Society)。

圖片來自alengo/iStock

  數學模型突破枝晶「痛點」

  鋰金屬電池是可充電鋰離子電池的「近親」,廣泛應用於攜帶型電子產品和電動汽車。作為新一代能源存儲設備,鋰金屬電池發展前景非常可觀:相較於鋰離子電池,鋰金屬電池能儲存更多能量,充電速度更快,重量也更輕。

  但目前,可充電鋰金屬電池的商業用途依然很有限。其主要原因之一是枝晶的形成,枝晶是隨著鋰金屬在電池的電極上逐漸積累,從而生長的金屬狀、薄薄的樹狀結構。這些枝晶不僅會降低電池性能,還會導致電池故障,在某些情況下,甚至會引發火災。因此,如何阻止或減緩枝晶的形成,成為有效解決鋰金屬電池退化和失效的「痛點」問題。

  此次,斯坦福大學研究人員開發出一個數學模型,將涉及到枝晶形成的物理和化學問題結合到一起。該模型提供了一種新的見解,即在新的電解質中交換一定特性,可以減緩甚至完全阻止枝晶的生長。電解質是鋰離子在電池內兩個電極之間移動的介質。

  「我們的研究目的是幫助指導設計壽命更長的鋰金屬電池,」論文主要作者、斯坦福大學能源工程專業博士生Weiyu Li表示,此次研究的數學框架可以合理解釋鋰金屬電池中重要的化學和物理過程。」

  「這項研究提供了有關枝晶形成條件的一些具體細節,以及抑制它們生長的可能途徑。」斯坦福大學地球、能源與環境科學學院教授Hamdi A Tchelepi說道。

  構建鋰金屬電池「數字化身」

  斯坦福研究團隊提出了電解質設計新方案,其中包括尋找具有各向異性的材料,即材料在不同方向上表現出不同的性質。各向異性電解質材料可以微調離子傳輸和界面化學之間複雜的相互作用,抑制枝晶的形成。研究人員表示,一些液晶和凝膠可以顯示出相關特性。

  其研究發現的另一種理論方法集中在電池隔膜上,通過薄膜防止電池兩端電極接觸和短路。研究人員認為,通過設計出具有孔隙特徵的新型隔膜,可以使鋰離子以各向異性的方式在電解質中來回傳輸。

  基於前述研究成果,團隊正在構建鋰金屬電池系統的數字化表示形式,即「數字化身」 (DABS)。

  「這項研究是DABS的關鍵組成部分。」斯坦福大學能源工程專業教授Daniel Tartakovsky表示實驗室正在開展相關研究,未來將藉助DABS,進一步提升鋰金屬電池的技術發展水平。

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