自修复液态金属电极可延长锂离子电池的使用寿命

2020-02-06 16:08:10

可充电锂离子(Li-ion)电池是一项革命性的技术,广泛应用于从手机到汽车的各种事物。他们的无处不在和在打破对化石燃料的依赖中的作用赢得了今年诺贝尔化学奖的三位研究者 。

但是,即使锂离子电池技术被公认为科学的最高奖项之一,其背后的化学作用仍面临着迫在眉睫的挑战。锂离子电池不能无限期充电;这些电池电极中的材料会在每个循环中膨胀和破裂,从而逐渐降低其存储性能,直到不再使用为止。由此产生的对新鲜锂,钴和其他必要元素的需求对自然资源造成了压力。

考虑到这一挑战,Penn工程师正在寻求设计可与锂以外的金属离子有效配合使用的可充电电池电极。镁离子电池是一种有前途的替代品,但是迄今为止,可以可逆地存储镁的材料比锂离子表亲更容易破裂和出现其他问题。

宾夕法尼亚大学的研究人员现在找到了一种解决方案,将镓(一种熔点比室温高几度的金属)掺入镁离子电池的阳极中。通过在每个充电和放电循环中熔化和固化,这些阳极可以“治愈”裂纹和随后的膨胀,这些裂纹和膨胀通常会降低可充电电池的存储能力。

他们的实验表明,这种新的阳极大大延长了镁离子电池的使用寿命,并且不需要昂贵的纳米级材料。这些特性可以使镁离子电池非常适合大规模应用,从而减轻锂资源的压力。

研究人员在《先进能源材料》上发表的一项研究中证明了他们的镓基阳极 。

该研究由材料科学与工程学系Stephenson任期助理教授Eric Detsi以及他实验室的研究生Lin Wang和Samuel Welborn 领导 。他们与材料科学与工程系总裁Eduardo D. Glandt的杰出教授Vivek Shenoy合作 。

“对于大多数电动汽车而言,电池的重量约占汽车总重量的五分之一。Detsi说:“仅依靠锂离子电池为世界各地的这些车辆供电将极大地限制电池中使用的锂和钴资源。” “由于需求,它们已经变得越来越昂贵,全球钴市场严重依赖来自地缘政治风险高的国家的供应。”

他说:“很明显,需要替代电池技术。” “不是取代锂,而是支持锂。”

电池的充电和放电涉及化学反应,该化学反应使离子从电池的一个电极移动到另一个电极,在此过程中获取或释放电子。但是,任何手机或笔记本电脑老化的人都知道,这些电池会随着时间的流逝而失去充电能力。这些电池失效的主要原因之一是充电和放电循环涉及电极中材料的物理转变。当离子结合到电极中时,那些材料膨胀,并且当离子从电极释放时,材料破裂。这个过程一直持续到材料破裂并与电极物理失去电接触,使电池无法使用。

由于离子的结合和释放,大多数电极材料中发生的体积变化会导致破裂和粉碎。这是杀死电池的原因之一。”王说。“这种粉碎与固-固相变带来的应力累积有关。”

“但是,在我们的新工作中,”韦尔伯恩说,“原始固体材料不是从一种固体转变为另一种固体,而是转变为液体。因为不再存在与正常固-固相变相关的应力,因此可以抑制开裂和粉碎。”

在室温下,纯镓是可延展的银色金属,很容易被误认为铝或镍。但是,握在手中的东西很快就会显示出一种独特的特性:熔点为华氏85度,体温足以将一块固态的镓变成汞样液体。

在研究人员的新研究中,镓以固态形式开始,因为它与镁形成了微米级颗粒。

Wang说:“为了以电子方式连接这些小块,我们将它们放入由碳纤维,炭黑和石墨烯组成的导电网络中,并通过粘合剂将它们绑在一起。”

当镁离子与镓分离时,由于电池在略高于镓熔点的温度下工作,镁离子转变成液态。

韦尔伯恩说:“由于它被捆绑在其他材料的网络中,所以当镓从固体变成液体时,它不会像预期的那样移动。”

研究人员使用X射线检查电池内部材料的晶体结构,发现当电池充电时,离子会返回阳极并重新形成固态的镓镁颗粒。

至关重要的是,由于这些颗粒在每个循环中都会重新构成,因此它们不会经历最终导致其他电池退化的那种开裂。

研究人员的实验电池经受了1000多个充电循环,大约是当前最先进的镁离子电池的五倍。

Detsi说:“这项工作证明的千次循环代表了重大改进,但是我们的梦想是利用这种独特的自我修复行为来设计可以永久充电和放电的电池。”

新电池的千次循环寿命的限制不是由于电极,而是电解液,电解质是将离子从一个电极移动到另一个电极的液体介质。 Detsi小组的早期研究表明,电解质在缓慢降解电池电极方面发挥了作用,未来的工作将集中在如何改善该过程上。

幸运的是,与该研究的自愈电极的设计一样,从事电池设计这一方面的工作涉及化学的巧妙应用,而不是禁止成本的纳米技术,其他尝试来延长电池寿命。

“为了解决锂离子电池的问题,电池界通常使用纳米材料,” Detsi说。“但是,纳米材料的合成可能很复杂,这意味着以工业规模生产大量纳米材料用于电池应用可能非常昂贵。我们的设计的一个非凡之处在于,无需使用纳米材料,这使得此类电池对于大规模应用非常有吸引力。”

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