科學家以糖為陽極基底,發現可減少鋰電池枝晶形成

發佈日期: 2018 年 03 月 12 日 15:43 | 作者: | 分類: 產業資訊
 
糖或許是人類健康殺手,但它如今也被科學家用來當作防止鋰金屬電池陽極枝晶生成的基底材料,為下一代高能量密度候選代表鋰金屬電池的主要障礙提出了解決方法。
 
科學家已經注意到,鋰電池中的枝晶(dendrites)與出現在金屬中的晶鬚相似。枝晶是由於電池電極表面鋰沉積不均勻而形成,會造成電池容量損失、充放電效率降低、短路等問題;晶鬚(whisker)則是出現在電子元件中的一種現象,20 世紀初真空管時期,科學家用純錫或接近純錫的合金作為銲料,而在有銲料的焊點上會長出晶鬚造成短點。
 
最重要的是,研究合著者/萊斯大學材料科學與奈米工程助理教授 Ming Tang 說,科學家知道晶鬚在有壓應力(compressive stress)的情形下出現,卻對電池循環過程中鋰金屬鍍層也會引起壓應力的機制不甚理解,而壓應力與鋰電池陽極的樹突形成脫不了關係。雖然晶鬚像直線,枝晶更蜿蜒些,但兩者形成機制是相似的。
 
基於這種理解,研究人員首先模擬在平面電鍍軟金屬期間產生的壓應力,以顯示鋰枝晶如何生長,實驗表明,將鋰金屬塗覆在平坦基底上會使鋰無處可去,於是它改以枝晶形式出現。
 
與錫相比,鋰的熔點更低(180.5 °C),也就是說鋰原子在室溫下更具流動性,如果有壓力,原子更樂意移動,這就是為什麼我們可以在數小時甚至幾分鐘內就看到樹突形成的原因。
 
為了解決這項問題,團隊找出一種能幫助抑制鋰枝晶生成的技術,糖就在這裡發揮角色功能。研究人員將糖塊與一種液態矽膠聚二甲基矽氧烷(PDMS)一起注入基底,然後將糖溶解,留下只剩軟矽膠的三維多孔結構,就像一塊可能會塌陷變形的海綿,接著覆蓋一層薄銅層以傳導電子,最後用鋰金屬填充空洞。
 
 
(圖片來源:萊斯大學
 
團隊於這種基底上測試,發現枝晶生長顯著減少,這是因為糖溶解後,像「皺紋」的基底緩解了鋰金屬內部累積的壓應力,電池測試也擁有 200 次循環後仍接近 98% 的庫侖效率。研究目前還在持續進行,團隊將對電池進行些許調整,以了解這種技術的電池是否能趕上商用門檻。論文發表在《自然-能源(nature energy)》期刊。
 
(合作媒體:科技新報。首圖來源:Pixabay
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