澎湃新聞?dòng)浾?王蕙蓉

近日，美國(guó)斯坦福大學(xué)一項(xiàng)新研究為制造更優(yōu)質(zhì)、更安全的鋰金屬電池指明了新的方向。

前述大學(xué)研究人員開(kāi)發(fā)出新的數(shù)學(xué)模型，從理論角度來(lái)探討鋰金屬電池中“枝晶” (dendrites)問(wèn)題，以突破鋰金屬電池中的發(fā)展“痛點(diǎn)”。相關(guān)成果發(fā)表在《電化學(xué)學(xué)會(huì)雜志》(Journal of The Electrochemical Society)。

圖片來(lái)自alengo/iStock

數(shù)學(xué)模型突破枝晶“痛點(diǎn)”

鋰金屬電池是可充電鋰離子電池的“近親”，廣泛應(yīng)用于便攜式電子產(chǎn)品和電動(dòng)汽車(chē)。作為新一代能源存儲(chǔ)設(shè)備，鋰金屬電池發(fā)展前景非?？捎^(guān)：相較于鋰離子電池，鋰金屬電池能儲(chǔ)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(yè)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(zhǎng)的金屬狀、薄薄的樹(shù)狀結(jié)構(gòu)。這些枝晶不僅會(huì)降低電池性能，還會(huì)導(dǎo)致電池故障，在某些情況下，甚至?xí)l(fā)火災(zāi)。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(diǎn)”問(wèn)題。

此次，斯坦福大學(xué)研究人員開(kāi)發(fā)出一個(gè)數(shù)學(xué)模型，將涉及到枝晶形成的物理和化學(xué)問(wèn)題結(jié)合到一起。該模型提供了一種新的見(jiàn)解，即在新的電解質(zhì)中交換一定特性，可以減緩甚至完全阻止枝晶的生長(zhǎng)。電解質(zhì)是鋰離子在電池內(nèi)兩個(gè)電極之間移動(dòng)的介質(zhì)。

“我們的研究目的是幫助指導(dǎo)設(shè)計(jì)壽命更長(zhǎng)的鋰金屬電池，”論文主要作者、斯坦福大學(xué)能源工程專(zhuān)業(yè)博士生Weiyu Li表示，此次研究的數(shù)學(xué)框架可以合理解釋鋰金屬電池中重要的化學(xué)和物理過(guò)程。”

“這項(xiàng)研究提供了有關(guān)枝晶形成條件的一些具體細(xì)節(jié)，以及抑制它們生長(zhǎng)的可能途徑。”斯坦福大學(xué)地球、能源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院教授Hamdi A Tchelepi說(shuō)道。

構(gòu)建鋰金屬電池“數(shù)字化身”

斯坦福研究團(tuán)隊(duì)提出了電解質(zhì)設(shè)計(jì)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(xiàn)出不同的性質(zhì)。各向異性電解質(zhì)材料可以微調(diào)離子傳輸和界面化學(xué)之間復(fù)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(guān)特性。

其研究發(fā)現(xiàn)的另一種理論方法集中在電池隔膜上，通過(guò)薄膜防止電池兩端電極接觸和短路。研究人員認(rèn)為，通過(guò)設(shè)計(jì)出具有孔隙特征的新型隔膜，可以使鋰離子以各向異性的方式在電解質(zhì)中來(lái)回傳輸。

基于前述研究成果，團(tuán)隊(duì)正在構(gòu)建鋰金屬電池系統(tǒng)的數(shù)字化表示形式，即“數(shù)字化身” (DABS)。

“這項(xiàng)研究是DABS的關(guān)鍵組成部分。”斯坦福大學(xué)能源工程專(zhuān)業(yè)教授Daniel Tartakovsky表示實(shí)驗(yàn)室正在開(kāi)展相關(guān)研究，未來(lái)將借助DABS，進(jìn)一步提升鋰金屬電池的技術(shù)發(fā)展水平。

責(zé)任編輯：李躍群