加州大學(xué)戴維斯分校化學(xué)工程系萬建迪副教授的團(tuán)隊(duì)在《科學(xué)進(jìn)展》雜志上發(fā)表了一篇新論文，提出了一種可充電鋰金屬電池中樹突生長(zhǎng)的潛在解決方案。在這篇論文中，Wan的團(tuán)隊(duì)證明了在陰極附近流動(dòng)的離子有可能提高下一代可充電電池的安全性和使用壽命。

金屬鋰電池使用金屬鋰作為陽極。這些電池有很高的電荷密度，潛在的能量是傳統(tǒng)鋰離子電池的兩倍，但安全性是一個(gè)大問題。當(dāng)它們充電時(shí)，一些離子在陰極表面被還原成金屬鋰，并形成不規(guī)則的樹狀微結(jié)構(gòu)--樹突，最終可能導(dǎo)致短路甚至爆炸。

其理論是鋰離子在陰極表面附近的傳質(zhì)速率和還原速率的競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致了枝晶的生長(zhǎng)。當(dāng)離子的還原速率比質(zhì)量傳遞快得多時(shí)，它就會(huì)在陰極附近產(chǎn)生一種稱為空間帶電層的電中性間隙，該間隙中不含離子。該層的不穩(wěn)定性被認(rèn)為會(huì)導(dǎo)致枝晶的生長(zhǎng)，因此減少或消除它可能會(huì)減少枝晶的生長(zhǎng)，從而延長(zhǎng)電池的壽命。

枝晶生長(zhǎng)減少99%

Wan的想法是讓離子通過一個(gè)微流控通道通過陰極來恢復(fù)電荷并抵消這個(gè)間隙。在論文中，該團(tuán)隊(duì)概述了他們的概念驗(yàn)證測(cè)試，發(fā)現(xiàn)這種離子流動(dòng)可以減少枝晶生長(zhǎng)高達(dá)99%。

對(duì)于Wan來說，這項(xiàng)研究令人興奮，因?yàn)樗@示了微流體應(yīng)用于電池相關(guān)問題的有效性，并為該領(lǐng)域的未來研究鋪平了道路。

“通過這項(xiàng)基礎(chǔ)研究和微流體方法，我們能夠定量地了解流動(dòng)對(duì)枝晶生長(zhǎng)的影響，”他說。“還沒有很多團(tuán)體對(duì)此進(jìn)行過研究。”

雖然不太可能直接將微流體整合到真正的電池中，但Wan的團(tuán)隊(duì)正在尋找替代方法，應(yīng)用這項(xiàng)研究的基本原理，在陰極表面附近引入局部流動(dòng)，以補(bǔ)償陽離子，消除空間電荷層。

他說:“我們很高興能探索這項(xiàng)研究的新應(yīng)用。”“我們已經(jīng)開始設(shè)計(jì)陰極表面來引入對(duì)流。”