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新型电极材料可让锂电池可承受五倍的安全充电电流

德克萨斯州农工大学(Texas A&M)的一支研究团队,想到了将碳纳米管掺入锂金属电池的电极中,以实现更高、更安全的充电。该校工程学院的科学家们,将研究重点放在了电池架构的改良上。据悉,传统锂电池中的锂离子会在充放电过程中于两极之间来回移动,其中阳极材料通常由石墨和铜的混合物制成。

新型电极(来自:Texas A&M/Juran Noh)

这项研究是在德克萨斯农工大学的工程学院进行的,研究的重点是具有巨大潜力的电池架构。当传统的锂离子电池充电和放电时,锂离子在阴极和阳极之间来回移动,后者通常由石墨和铜的混合物制成。

不过研究团队发现,使用纯锂金属,可能是一种更好的选择。其不仅提供了很高的能量密度(容量达到普通锂离子电池的十倍),还可让充电过程更快、更安全。

其实在去年的一项研究中,锂金属阳极已被描述为‘打破当前锂离子化学反应的能量密度瓶颈’的一个关键。但横亘在研究人员面前的,依然有枝晶(dendrites)这个障碍。

由于锂离子分布不均匀,这些树状结构会堆积在阳极表面。随着枝晶的生长,它们可能刺破电芯,导致电池快速失去能量、甚至短路起火

好消息是,德克萨斯农工大学的研究团队,已经找到了超轻且高导电性的碳纳米管解决方案。其设计与2018年的另一项研究相仿,即采用碳纳米管薄膜来抑制枝晶的生长。

研究配图(来自:Nano Letters)

在锂金属电池的阳极上,研究团队使用碳纳米管构建了三维多孔支架,并在上面绑有可与锂离子结合的分子。

通过一系列实验来确认分子结合的浓度,研究团队最终敲定了可避免枝晶在其表面上堆积的新型电池阳极。

研究作者 Juran Noh表示:在拥有适量结合分子的情况下,我们可在某些位置将碳纳米管支架‘解压缩’,使得锂离子穿过并结合于支架的整个表面,而不是在外部堆积。

得益于这种均匀且安全的分布,锂金属电池可承载更大、更安全的电流(阳极载流为传统锂电池的五倍),不仅能量密度更高、还可在更短的时间内完成充电。


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