麻省理工学院的新电极设计可能带来更强大的电池

先进电池艺术家概念

新的锂金属阳极可能会导致电池每磅容量更大,寿命更长。

麻省理工学院的一个团队设计了一种锂金属阳极,可以提高未来电池的寿命和能量密度。

新研究由工程师在麻省理工学院基于长期以来寻求的使用纯锂金属作为电池的两个电极之一,即阳极的目标,其他地方可能会制造出每磅能量更大、续航时间更长的电池。

新电极概念来自武丽的实验室,核科学与工程教授和材料科学与工程教授。它在期刊中描述了自然麻省理工学院的陈宇明(音译)和王志强(音译)与麻省理工学院以及香港、佛罗里达和德克萨斯州的其他11人共同撰写了一篇论文。

该设计是开发安全的全固态电池概念的一部分,它摈弃了通常用作电池两个电极之间电解质材料的液体或聚合物凝胶。电解质可以让锂离子在电池的充放电循环中来回移动,而全固态电解质比液态电解质更安全,液态电解质具有高挥发性,是锂电池爆炸的根源。

“在固态电池上有很多工作,锂金属电极和固体电解质,”李说,但这些努力面临了一些问题。

最大的问题之一是,当电池充电时,原子累积在锂金属内,导致其膨胀。当使用电池时,金属在放电期间再次收缩。这些重复的金属尺寸变化,有点像吸入和呼气的过程一样,使固体难以保持恒定的接触,并且倾向于使固体电解质裂缝或分离。

另一个问题是,当与高活性的锂金属接触时,没有一种固体电解质是真正的化学稳定的,而且它们往往随着时间的推移而降解。

大多数克服这些问题的企图都集中在设计绝对稳定的锂金属的固体电解质材料,这结果是困难的。相反,他的团队采用了一种不寻常的设计,利用了两种额外的固体,“混合离子电子导体”(MIEC)和“电子和锂离子绝缘体”(ELI),其绝对化学稳定地与锂接触金属。

研究人员开发了一种六边形MIEC管蜂窝状排列的三维纳米结构,部分注入固态锂金属形成电池的一个电极,但每个管内部留有额外的空间。当锂在充电过程中膨胀时,它会流入管道内部的真空区域,尽管它仍保持固态晶体结构,但它会像液体一样移动。这种流动完全被限制在蜂窝结构内,缓解了充电引起的膨胀压力,但没有改变电极的外部尺寸或电极与电解质之间的边界。另一种材料ELI是MIEC壁和固体电解质层之间的关键机械粘合剂。

“我们设计了这种结构,使我们提供三维电极,如蜂窝,”李说。结构管中的空隙空间允许锂将锂“沿后”进入管中,“那样,它不会增加应力以破裂固体电解质。”这些管内的膨胀和收缩锂进出,也像汽车发动机的活塞一样进出,在它们的汽缸内。因为这些结构以纳米级尺寸构建(直径约为100至300纳米,高度为几十微米),结果就像“带有100亿活塞的发动机,锂金属作为工作流体,”李说。

因为这些蜂窝状结构的壁是由化学稳定的MIEC制成的,锂永远不会失去与材料的电接触,Li说。因此,整个固体电池在其循环使用过程中可以保持机械和化学稳定性。该团队已经通过实验证明了这一概念,将一个测试设备进行了100次充放电,而没有产生任何固体破裂。

李说,尽管许多其他小组正在研究他们所谓的固体电池,但这些系统中的大多数实际上在一些混合了固体电解质材料的液体电解质中工作得更好。“但在我们的情况下,”他说,“它确实都是固态的。里面没有任何液体或凝胶。”

新系统可能导致安全的阳极重量仅为锂离子电池中的常规对应物的额度,以获得相同的储存能力。如果与其他电极的轻质版本的新概念相结合,则该工作可能导致锂离子电池总重量的实质性降低。例如,团队希望它可能导致每三天只需一次充电的手机,而不会使手机更重或笨重。

李领导的另一个团队在上个月发表在《科学》杂志上的一篇论文中描述了一个更轻阴极的新概念自然能源,由MIT Postdoc Zhi Zhu和研究生DaiWei Yu合作。该材料将减少镍和钴的使用,这昂贵且有毒,在当今的阴极中使用。新的阴极不仅依赖于电池循环中这些过渡金属的容量贡献。相反,它将更多地依赖于氧气的氧化还原能力,这更轻,更丰富。但是在该过程中,氧离子变得更加移动,这可能导致它们逸出从阴极颗粒中。研究人员使用熔盐的高温表面处理,在富含锰和锂的金属氧化物颗粒上产生保护表面层,因此氧气损失量大幅降低。

即使表面层非常薄,在400纳米宽的颗粒上只需5至20纳米,即可为下面材料提供良好的保护。“这几乎就像免疫,”李说,反对室温下使用的电池中的氧气损失的破坏性影响。本文可以在能够为给定权重的能量中提供至少50%的改善,具有更好的循环稳定性。

到目前为止,该团队只建造了小型实验室规模的设备,但“我希望这能很快扩大规模,”李说。所需的材料,主要是锰,比其他系统使用的镍或钴要便宜得多,所以这些阴极的成本只有传统阴极的五分之一。

引用:

”李在固态金属沉积和剥离电池通过平底渔船蠕变”通过媒体陈,自强,晓燕Li Xiahui姚明,曹国伟Wang余涛,Weijiang雪,Daiwei Yu Yeon金正日,范,Akihiro Kushima Guoge张黄海涛,南吴,Yiu-Wing Mai, John b .前言、李,2020年2月3日,自然。
DOI: 10.1038 / s41586 - 020 - 1972 - y

“熔盐处理梯度富锂氧化物阴极粒子免疫抗氧”,朱智,俞代伟,杨洋,苏聪,黄益萌,董艳浩,Iradwikanari Waluyo,王保明,Adrian Hunt,姚霞辉,李金旭,薛伟江,李菊,2019年12月12日,自然能源
DOI: 10.1038 / s41560 - 019 - 0508 - x

研究团队包括来自麻省理工学院、香港理工大学、中佛罗里达大学、德克萨斯大学奥斯汀分校、纽约厄普顿布鲁克海文国家实验室的研究人员。这项工作得到了美国国家科学基金会的支持。

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