發現利用電池內部自熱效應,可消除鋰電池陽極樹突堆積

作者 | 發布日期 2018 年 04 月 03 日 11:15 | 分類 材料 , 零組件 , 電力儲存 follow us in feedly

鋰金屬陽極電池的能量密度遠遠高於石墨陽極的鋰離子電池,但也因為產生嚴重的枝晶問題遲遲無法將之大規模商業化。不過科學家現在發現,如果在高電流密度下循環充放電增強電池自熱效應,此舉竟然可以「治癒」鋰電池的樹突結構。



可充電鋰離子電池是消費型電子產品主要應用的電池,並日益成為電動汽車、電網儲能應用的首選電池,其正極(陰極)為鋰金屬氧化物,負極(陽極)則是石墨。但科學家並沒有放棄能量密度更高的鋰金屬電池,孜孜不倦地試圖為更強大的鋰金屬電池尋找出路。

美國壬色列理工學院(Rensselaer Polytechnic Institute)研究人員現在便找到一種利用電池內部熱能來將枝晶擴散成光滑層的方法,或者如研究領導者材料科學與工程學系教授Nikhil Koratkar所述,枝晶可以透過電池自熱效應「就地修復」,論文發表在《科學》期刊。

我們知道電池基本由陰極、陽極、電解液、隔離膜組成,其中隔離膜位於兩電極之間以防止彼此接觸使電池短路,此外隔離膜吸滿電解質的孔隙是離子(帶電原子)穿梭於電極之間的通道,隔離膜吸收越多電解質,離子傳導率越高。

電池放電時,陽極上帶正電的鋰離子傳輸到陰極產生電力;電池充電時,鋰離子從陰極流回陽極,而以鋰金屬作為陽極的電池在反覆充放電過程中,陽極表面容易因為鋰沉積不均勻而形成枝晶,這些棘手的堆積物最終會穿透隔離膜接觸到陰極,導致電池短路,引發爆炸火災風險。

以石墨為陽極則避免了鋰枝晶問題,是目前最好的電池選擇,但很快地,它們可能也不能再跟上儲存容量需求。

為了讓鋰金屬電池發揚光大,研究人員提出的解決方案是利用電池的內部電阻加熱(Resistive heating)來消除枝晶堆積。電阻加熱(也稱為焦耳加熱,Joule heating)是一種金屬材料抵抗電流並因此產生熱量的過程,這種「自熱」效應可以通過充放電過程發生。

於是研究人員透過增加電池的電流密度(充電 – 放電速率)來增強自熱效應,發現這過程可以讓枝晶均勻平滑擴散,達到「治癒」的效果,在鋰硫電池實驗中也有相同結果。所以,當電池不使用的時候,就可以透過循環高速率充放電幾個週期,來達到電池「自癒」療效。

研究聽起來似乎極有前景,增壓充電就可以使電池恢復活力,阻止樹突引起的短路,保證電池更安全又擁有高能量密度,但這是否能阻止電池容量快速衰減?也許需要團隊進一步研究了。

(首圖來源:壬色列理工學院