賓大工程師設(shè)計(jì)可反復(fù)充電的電極,緩解自然資源的壓力

蓋世汽車(chē)訊 可充電鋰離子電池是一項(xiàng)革命性技術(shù)，廣泛應(yīng)用于從手機(jī)到汽車(chē)的方方面面。但是，鋰離子電池不能無(wú)限充電，在每次充放電循環(huán)中，電池中的材料都會(huì)膨脹開(kāi)裂，逐漸降低存儲(chǔ)性能，直至失效。因此，對(duì)新鮮鋰、鈷和其他必要元素的需求不斷增長(zhǎng)，給自然資源造成壓力。

據(jù)外媒報(bào)道，賓夕法尼亞大學(xué)的工程師們，希望使用非鋰金屬離子，設(shè)計(jì)一種可反復(fù)充電的電極，提高電池工作效率。據(jù)認(rèn)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(chǔ)鎂的材料，更容易出現(xiàn)裂紋和其他問(wèn)題。

該校研究人員找到一種解決方案，在鎂離子電池的負(fù)極中，加入熔點(diǎn)略高于室溫的金屬鎵。在每個(gè)充放電周期中，這些負(fù)極產(chǎn)生融固化現(xiàn)象，可以“愈合”裂紋，避免出現(xiàn)膨脹，從而提升可充電電池的存儲(chǔ)能力。這項(xiàng)研究由賓大工學(xué)院材料科學(xué)與工程系教授Eric Detsi，以及他實(shí)驗(yàn)室的研究生Lin Wang和Samuel Welborn領(lǐng)導(dǎo)進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)表明，新型鎵基負(fù)極能夠明顯延長(zhǎng)鎂離子電池的壽命，而且不需要昂貴的納米材料。這些特性使鎂離子電池非常適合大規(guī)模應(yīng)用，減輕鋰資源壓力。

Wang表示：“由于結(jié)合和釋放離子，大多數(shù)電極材料的體積會(huì)發(fā)生變化。固體-固體相變帶來(lái)的應(yīng)力累積會(huì)破壞電池，使其發(fā)生裂解?！痹谑覝叵拢冩壥且环N具有延展性的銀色金屬，很容易被誤認(rèn)為是鋁或鎳。這種材料的熔點(diǎn)為85華氏度，將其握在手中，體溫足以將一塊固體鎵轉(zhuǎn)變成類(lèi)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(lái)的固體變成液體。因?yàn)椴淮嬖诠腆w-固體相變應(yīng)力，所以可以抑制裂解?！?/p>

在該研究中，在該研究中，起初鎵以固體形式出現(xiàn)與鎂構(gòu)成合金，形成微米級(jí)顆粒?！盀榱擞?a target="_blank">電子方式連接這些小顆粒，”Wang說(shuō)，“我們把它們放入由碳纖維、炭黑和石墨烯組成的導(dǎo)電網(wǎng)狀物中，這些材料都用粘合劑粘在一起?！碑?dāng)鎂離子與鎵分離時(shí)，由于電池在略高于鎵熔點(diǎn)的溫度下工作，鎵就轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)。Welborn稱(chēng)：“因?yàn)楸话谄渌牧暇W(wǎng)狀物中，所以當(dāng)鎵從固體變成液體時(shí)，不會(huì)像普通液體那樣四處流動(dòng)?！?/p>

研究人員利用X射線檢查電池內(nèi)部材料的晶體結(jié)構(gòu)。他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電池充電時(shí)，離子回到負(fù)極，并重新形成固態(tài)的鎵鎂顆粒。重要的是，在每個(gè)循環(huán)過(guò)程中，這些顆粒都能重新生成，所以不會(huì)出現(xiàn)裂紋，降低電池性能。研究人員開(kāi)發(fā)的實(shí)驗(yàn)電池，能夠承受超過(guò)1000次的充電循環(huán)，大約是目前最先進(jìn)的鎂離子電池的5倍。

Detsi稱(chēng)：“很明顯，我們需要電池替代技術(shù)。這樣做不是為了取代鋰，而是為了支持鋰資源。在這項(xiàng)研究中，電池所展現(xiàn)出的上千次循環(huán)，代表重大的進(jìn)步。我們的夢(mèng)想是，利用這種獨(dú)特的自愈行為，設(shè)計(jì)一種可以無(wú)休止充放電的電池?！?/p>