作者：CarnegieMellonUniversity

卡內(nèi)基梅隆大學梅隆理工學院的研究人員開發(fā)了一種半液態(tài)鋰金屬基陽極，它代表了電池設計的一種新模式。使用這種新型電極類型制造的鋰電池比使用鋰箔作為陽極的典型金屬鋰電池具有更高的容量和更安全的性能。

跨學科研究小組將他們的發(fā)現(xiàn)發(fā)表在最新一期的《焦耳》雜志上。

鋰基電池是現(xiàn)代電子產(chǎn)品中最常見的充電電池類型之一，因為它能夠儲存大量的能量。傳統(tǒng)上，這些電池是由可燃液體電解質(zhì)和兩個電極組成，電池隔膜將陽極和陰極分開。在電池反復充電和放電后，形為樹枝狀的鋰鏈會在電極表面生長。樹突可以穿透分隔兩個電極的膜。會使陽極和陰極之間進行接觸，這會導致電池短路，在最壞的情況下，還會引發(fā)著火。

卡內(nèi)基梅隆化學系華納大學自然科學教授KrzysztofMatyjaszewski說：“將金屬鋰陽極結合到鋰離子電池中，理論上有潛力創(chuàng)造出比石墨陽極電池更大容量的電池。但是，我們需要做的最重要的事情是確保我們生產(chǎn)的電池是安全的。”

目前電池中使用的揮發(fā)性液體電解質(zhì)的一種解決方案是用固體陶瓷電解質(zhì)代替它們。這些電解質(zhì)具有高導電性、不可燃性和足夠強的抗樹枝狀結構。然而，研究人員發(fā)現(xiàn)，陶瓷電解質(zhì)和固體鋰陽極之間的接觸不足以存儲和提供大多數(shù)電子設備所需的電量。

SipeiLi是卡內(nèi)基梅隆化學系的博士生，HanWang是卡內(nèi)基梅隆材料科學與工程系的博士生，他發(fā)明了一種新型材料，可以用作半液態(tài)金屬陽極，從而克服了這一缺點。

卡內(nèi)基梅隆聚合物化學和材料科學的領導者Matyjaszewski和卡內(nèi)基梅隆大學威爾頓.E.斯科特能源創(chuàng)新研究所所長、工程學院能源學教授JayWhitacre進行合作，后者以開發(fā)新能源技術而聞名。李和王創(chuàng)建了一種雙導電聚合物/碳復合材料基體，鋰微粒均勻分布在整個基體中。基質(zhì)在室溫下保持流動，這使得它能夠與固體電解質(zhì)產(chǎn)生足夠的接觸。通過將半液態(tài)金屬陽極與石榴石基固體陶瓷電解質(zhì)結合，他們能夠在比采用固體電解質(zhì)和傳統(tǒng)鋰箔陽極的電池高10倍的電流密度下循環(huán)電池。這種電池的循環(huán)壽命也比傳統(tǒng)電池長得多。

“與普通鋰金屬相比，這種新的工藝路線可使鋰金屬電池陽極流動，具有非常吸引人的安全性和高性能。實施這種新材料可能會導致鋰基可充電電池的階躍變化，我們正在努力研究這在一系列電池結構中是如何工作的，”Whitacre說。

研究人員認為，他們的方法可能會產(chǎn)生深遠的影響。例如，它可以用于制造電動汽車的大容量電池，以及用于需要柔性電池的可穿戴設備的專用電池。他們還認為，他們的方法可以擴展到鋰以外的其他可充電電池系統(tǒng)，包括鈉金屬電池和鉀金屬電池，并可能被用于電網(wǎng)規(guī)模的能源儲存。