电池突破前往电气飞机和促进远程电动汽车

在伯克利实验室开发的新电池技术可以为电气飞机和超级充电安全，远程电动汽车提供飞行。

为了研制一次充电就能为电动汽车(EV)提供数百英里动力的可充电电池，科学家们已经努力用锂金属阳极取代目前电动汽车电池中使用的石墨阳极。

不过，尽管金属锂能将电动汽车的续航里程延长30-50%，但由于锂树枝状结构(在多次充放电循环过程中，锂阳极会形成微小的树状缺陷)的存在，它也会缩短电池的使用寿命。更糟糕的是，树突在与电池负极接触时会使电池短路。

几十年来，研究人员一直认为，坚硬的固体电解质，比如陶瓷制成的电解质，最能阻止树突穿过细胞。但很多人发现，这种方法的问题在于，它并没有从一开始就阻止树突的形成或“成核”，就像汽车挡风玻璃上的小裂缝最终会扩散一样。

现在，能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)与卡内基梅隆大学合作的研究人员在该杂志上发表了研究报告自然材料一类新的柔软，固体电解质 - 由聚合物和陶瓷制成 - 抑制了这种早期成核阶段的树突，在它们可以传播并导致电池发生故障之前。

该技术是伯克利实验室跨用户设施的多学科合作的一个例子，旨在开发组装、表征和开发固态电池材料和设备的新想法。

固态能量存储技术，如使用固态电极和固态电解质的固态锂金属电池，可以提供高能量密度和卓越的安全性，但该技术必须克服不同的材料和加工挑战。

“我们的树突抑制技术对电池行业具有令人兴奋的意义，”伯克利实验室分子铸造的科学家、共同作者Brett Helms说。“有了它，电池制造商就可以生产出更安全、能量密度高、循环寿命长的锂金属电池。”

赫尔姆斯补充说，用这种新型电解质制造的锂金属电池也可以用于为电动飞机提供动力。

树突抑制的软方法

设计这些新型软、固体电解质的关键是使用具有内在微孔的软聚合物，即PIMs，其孔隙中填充了纳米陶瓷颗粒。由于电解液仍然是一种柔韧、柔软、固体的材料，电池制造商将能够生产成卷的锂箔，将电解液作为阳极和电池隔板之间的层压板。Helms说，这些锂电极组件(LESAs)是传统石墨阳极的极具吸引力的替代品，可以让电池制造商使用他们现有的装配线。

展示新PIM的dendrite-suppressing特性复合电解质,头盔团队使用x射线在伯克利实验室的先进光源之间的接口创建3 d图像锂金属和电解质,并可视化锂电镀和剥离长达16个小时在高电流。当有新的PIM复合电解质存在时，可以观察到锂的连续光滑生长，而没有PIM复合电解质时，界面显示出树枝状生长的早期迹象。

这些数据和其他数据证实了一种新的金属锂电沉积物理模型的预测，该模型考虑了固体电解质的化学和机械特性。

“2017年,传统智慧时,你需要一个艰难的电解液,我们提出一个新的树突抑制机制可能是柔软的固态电解质,”合著者Venkat Viswanathan说,机械工程的副教授和教员研究所研究员斯科特·卡内基梅隆大学能源创新领导的理论研究工作。“用PIM复合材料找到这种方法的材料实现是令人惊讶的。”

24M技术公司是美国能源部高级研究项目(ARPA-E) IONICS项目的获得者，该公司将这些材料集成到电动汽车和电动垂直起降飞机(eVTOL)的大尺寸电池中。

Helms表示:“虽然电动汽车和电动汽车都有独特的功率要求，但PIM复合固体电解质技术似乎是多功能的，可以在高功率下使用。”

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参考文献：“固体离子导体的通用化学机械设计规则，以防止锂金属电池中的树突形成”由Chengyin Fu，Victor Venturi，Jinsoo Kim，Zeeshan Ahmad，Andrew W.Hels，Venkatasubramanian Viswanathan和Brett A. Helms，4月20日那自然材料。
DOI: 10.1038 / s41563 - 020 - 0655 - 2

伯克利实验室和卡内基梅隆大学的研究人员参与了这项研究。

分子铸造厂和高级光源是科学用户设施的DOE办公室，位于伯克利实验室。

这项工作得到了美国能源部高级研究项目署(ARPA-E)和美国能源部科学办公室的支持。美国能源部员工发展办公室为教师和科学家提供了额外的资金，使本科生能够通过科学本科实验室实习计划参与这项研究。