锂电池的技术发展, 已经多年没有取得突破性的进展. 究其原因, 是难以在提升容量密度的同时, 保证材料安全, 稳定, 快速地重复充放电. 导致衰减的罪魁祸首, 就是微观结构上的锂晶枝. 这些尖锐的针状结构, 可能会刺破电芯的隔膜, 导致短路, 甚至起火. 限制其增长的一种方法, 就是控制电池的充电速率. 但在生活节奏日渐加快的当下, 这样的妥协是难以接受的.
这项电池技术的突破, 集中在一种穿上碳纳米薄膜的新型阳极材料上.
好消息是, 莱斯大学的科学家们, 已经找到了一种让当前广泛使用的锂离子电池容量成倍提升的好方法.
此前, 有实验室借助过凯夫拉纤维来限制晶枝的生长, 或者使用全新类型的电解质 (携带电荷的化学溶液) .
早在去年的时候, 莱斯大学的同一研究团队, 就已经开发出了一种用沥青制成的锂金属电池. 它的充电速度更快, 且对晶枝的形成有更强的抵抗力.
现在, 研究团队更进了一步, 将碳纳米薄膜引入其中. 它被用于涂覆电池的锂金属阳极, 用于更有效地浸没晶枝, 类似于拿重物压草坪, 以抑制杂草.
对比图: 右侧为没有碳纳米管薄膜来限制锂晶枝的金属阳极.
这种薄膜从阳极吸收锂离子, 并在充电过程中分配它们. 但所有这些, 都不会影响电池的充电速率. 研究合著者Rodrigo Salvatierra表示:
碳纳米管薄膜的作用, 是将沉积的金属锂散布开来, 从而形成一个没有晶枝的光滑层.
这样的改进, 并不会限制此类电池的充电速率, 甚至放心地运用高倍率充放电.
在将新组件部署到去年的沥青-锂电池后, 研究人员发现其在超过580次循环后, 依然能够防止晶枝的生长. 此外电池的库伦效率保持在99.8%, 成品也更易于打造.
左一起为莱斯大学化学家James Tour, 研究生Gladys López-Silva, 以及博士后研究员Rodrigo Salvatierra.
不过Salvatierra解释到: 与早先的沥青电池相比, 它有一些不同的地方.
首先, 我们用碳纳米管薄膜来修饰固态的锂金属箔, 这两种材料早已做好了被电池所用的准备.
其次, 在沥青衍生的电极中, 锂金属必须进行电化学沉积, 才能在完整的电池装置中使用.
最终, 采用这种新型阳极的电池, 能够较市售产品存储3~5倍的电量. 即便充满后放置一个月, 其电荷损失也都可以忽略不计. 换言之, 它会是一种可靠的长期储能解决方案.
