新研究解决枝晶难题 克服锂电池的局限性

新研究解决枝晶难题克服锂电池的局限性锂金属电池（LMB）的能量密度比目前的锂离子电池（LIB）高近10倍，因此被认为是未来潜在的存储系统之一。然而，锂金属电池存在一定的安全隐患，不能用于快速充电应用。不受控制的枝晶形成会导致过度加热和电池短路，这是其发展过程中面临的关键挑战之一。研究人员以前曾试图解决LMB的安全问题，但采用的方法既费力又费钱/费时。海德拉巴塔塔基础研究所（TIFRH）的T.N.Narayanan实验室报告了一种简单、可扩展、成本效益高的方法，用于组装更安全、更耐用的锂金属电池。PreetiYadav（作者）手持由改进型隔膜式锂金属电池供电的发光红色LED（3V）图片来源：PallaviThakur博士和T.N.Narayanan教授多孔隔膜位于电池电极之间，将它们隔开，对防止短路至关重要。电池使用一段时间后，其中一个电极上开始形成树状结构或称为树枝状突起的须状突起。如果这些树突不受控制地生长，就会在某种意义上成为两个电极之间的物理桥梁，造成短路。该研究的主要作者、研究生PreetiYadav和PallaviThakur使用一种常见的石墨衍生物粉末对典型电池中使用的隔膜进行了改性。这种改性抑制了枝晶的形成，在很大程度上提高了电池的寿命。研究人员认为，这种隔膜改性方法具有巨大的潜力，可以推广到工业应用中。然而，在10mAcm-2的极高电流密度下，电池似乎在缓慢退化。这可能是因为锂电镀到了碳（沉积石墨衍生物层的一种成分）上。研究人员希望进一步研究这些难题，从根本上了解界面在提高电池性能方面的作用。编译自:ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1425542.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1425542.htm

哈佛大学科学家开发出一种新型锂电池，充电只需3分钟，寿命长达20年

哈佛大学科学家开发出一种新型锂电池，充电只需3分钟，寿命长达20年一种"改变游戏规则"的电动汽车（EVs）新电池，可在三分钟内完成充电，寿命长达20年，可能很快就会出现在新车上。位于马萨诸塞州沃尔瑟姆的初创公司AddenEnergy已经获得了许可证和515万美元的资金，以便大规模地建造适合电动汽车的电池设计。该电池由哈佛大学的科学家开发，是金属锂，而不是市场上已经出现的电动汽车中的锂离子。其复杂的设计，受到BLT三明治的启发，可以防止麻烦的"树枝状物"的生长，这些树枝状物在锂金属电池中生长并缩短其寿命。目前，电动车包含的锂离子电池会随着时间的推移而退化，最多维持7或8年，这取决于它们的使用程度--很像智能手机的电池。——

斯坦福研发新的充电方法 可使锂电池组寿命至少延长20%

斯坦福研发新的充电方法可使锂电池组寿命至少延长20%无论哪种情况，平均单体电池的寿命比平均电池组的寿命长，而正是这些脆弱的电池使整个电池组工作效率低下。斯坦福大学Doerr可持续发展学院能源科学工程助理教授西蒙娜-奥诺里（SimonaOnori）说："如果不妥善处理，电池单元之间的异质性会损害电池组的寿命、健康和安全，并诱发电池组的早期故障，"她是一项新研究的作者，旨在使锂电池组的使用寿命更长。快速充电和放电事件对电池单元来说是一种压力，虽然它们被设计成可以承受这种压力，但这些是较弱的电池受到影响和恶化最快的时刻。因此，斯坦福大学的研究小组想知道，以同样的速度给所有电池单元充电的标准技术是否会加速电池的损坏。研究人员设计了一个计算机模型，在一个加速的时间框架内测试他们的理论，结果他们认为这是一个前所未有的模拟细节水平。他们试图准确地代表电池的物理和化学状态，以及在其整个生命周期中与一系列压力有关的变化，包括在几秒钟内发生的变化，一直到可能需要几个月或几年的其他变化。Onori说："据我们所知，以前的研究没有使用过我们创建的那种高保真度、多时间尺度的电池模型。"利用这个模型，他们进行了一些模拟，比较了标准的、设定速率的充电方法和其他方法，其中每个电池的容量作为一个指标，说明它能承受多少充电功率。这里的理论是，只有最强壮的电芯应该受到最高的压力；已经开始提前退化的电芯不管是什么原因都应该被更温和地对待，希望能延缓它们最终的衰退。该团队发现，通过单独设置每个电池的充电速率，他们可以最大限度地减少温度上升和电池退化，以至于这些电池组可以比均匀充电的电池多处理至少20%的充电/放电周期--甚至使用频繁的快速充电。但缺点也是相当明显的；如果你正在给你的电动车或手机电池快速充电，当然希望它尽可能快地充电，这样你就可以回到你正在做的任何事情上，在这样的模式下，你的电池中一定数量的电池根本不会像平时那样快速充电。如果你把你的电池看作是或多或少的一次性物品，而你的汽车是每隔几年就会被更换的东西，很多消费者不会关心他们是否在加速他们电池组的死亡，因为这是厂家和维修方的问题。电池组中的大多数电池通常情况都很好，有能力进行快速充电。因此，在这种充电模式下，在快速充电器上充电半小时后，充电状态的差别可能不会很大，如果电池可以被"哄骗"到更长的使用寿命，这对每个人来说都是更好的，因为提前更换的锂电池预计在未来几十年将对全球脱碳工作造成压力。研究人员说，他们的充电模型可以很容易地通过现有的电动汽车设计推出，或用于指导下一代电池管理系统的开发。他们还建议，同样的模型可以应用于放电周期，对较弱的电池要求较少，对较强的电池要求较多，以进一步提高任何受到高应力负载的电池组的寿命。事实上，该研究的作者之一现在在eVTOL开发商ArcherAviation担任电池研究员。"锂离子电池已经在很多方面改变了世界，"Onori说。"重要的是，我们要尽可能多地从这项变革性技术及其后续技术中得到好处。这项研究发表在《IEEE控制系统技术期刊》上。了解更多：https://news.stanford.edu/2022/11/07/longer-lasting-battery-make-cell/...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1332125.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1332125.htm

快速充电的锂金属电池技术迎来进展 从根源上消除枝晶

快速充电的锂金属电池技术迎来进展从根源上消除枝晶运用这种技术的诀窍是使用一种锂不"喜欢"的晶体生长表面。从这些种子晶体中生长出密集的均匀金属锂层。电池研究人员对均匀的金属锂层非常感兴趣，因为它们不包含被称为枝晶的物质，电池阳极中这些物质的形成是快速充电的超能量密度锂金属电池的一个长期障碍。由加州大学圣地亚哥分校工程师领导的这种新方法使锂金属电池在大约一小时内完成充电，这一速度与当今的锂离子电池相比具有竞争力。加州大学圣地亚哥分校的工程师与加州大学欧文分校的成像研究人员合作，今天（2023年2月9日）在《自然-能源》杂志上发表了这项旨在开发快速充电的锂金属电池的进展。在这张SEM图像中，大而均匀的金属锂晶体生长在一个表面上，这令人惊讶，因为它并不"喜欢"锂。加州大学圣地亚哥分校的电池研究人员发现，金属锂晶体可以被启动（成核），并快速而均匀地生长为密集的金属锂层，而这些金属锂层缺乏性能退化的枝晶。在2023年2月9日发表的《自然-能源》论文中，加州大学圣地亚哥分校的电池研究人员表明，这种锂晶体种子的意外形成导致即使在高充电率下也能形成致密的锂层，从而产生长周期寿命的锂金属电池，而且还可以快速充电。这一发现克服了可充电锂金属电池的一个普遍现象，即高速充电总是容易导致锂电池被枝晶穿透导致寿命缩短。通过用这种由氟化锂和铁制成的疏水性表面取代锂金属电池负极（阳极）上无处不在的铜表面，研究人员为创造更可靠、更安全、更高性能的锂金属电池开辟了一条新途径。为了生长锂金属晶体，研究人员用氟化锂（LiF）和铁（Fe）组成的疏锂纳米复合材料表面取代了锂金属电池负极（阳极）上无处不在的铜表面。使用这种疏水性表面进行锂沉积，形成了锂晶体种子，并从这些种子中生长出密集的锂层--即使是在高充电率下，带来的结果是可以快速充电的长循环寿命的锂金属电池。金属锂单晶的低温TEM图像，它被播种在一个令人惊讶的、由氟化锂和铁组成的硫代纳米复合材料表面，该锂晶体具有六角形双锥体的形状。由加州大学圣地亚哥分校纳米工程师领导的新进展可以消除阻碍能量密集型锂金属电池在电动汽车（EVs）和便携式电子产品等应用中广泛使用的一个重要障碍。虽然锂金属电池因其高充电密度而在电动汽车和便携式电子产品中具有巨大的潜力，但今天的锂金属电池必须以极慢的速度充电，以保持电池的性能和避免安全问题。慢速充电是必要的，这可以尽量减少破坏电池性能的锂枝晶的形成，因为锂离子与电子结合，在电池的阳极侧形成锂晶体，锂晶体在电池充电时堆积，而锂晶体在电池放电时溶解。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1343511.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1343511.htm

研究人员发明可通过磁力搅拌的电解液 使电池不产生枝晶

研究人员发明可通过磁力搅拌的电解液使电池不产生枝晶锂金属电池是一种将看到这种材料部署在今天的锂离子电池的阳极中，以取代石墨和铜。这可以使阳极更小、更轻，具有更高的能量密度，这可以使智能手机每周需要的充电次数大大减少，或使电动汽车每次充电都能行驶更远。但是，研究人员继续遇到的一个问题是，阳极上长出了被称为树枝状的触角状突起（枝晶），这些突起会迅速导致电池失效。解决这个问题可以说是八仙过海，研究人员并不缺乏潜在的解决方案，而现在大邱庆北科技学院的一个团队已经把另一个聪明的想法扔进了这个组合。科学家们通过重新设想在电池的另一个电极--阳极和阴极之间携带离子的电解质溶液来解决这个问题。他们通过改进离子在这一介质中的传输方式，旨在使这一过程更快、更均匀，从而将任何可能出现的枝晶扼杀在萌芽状态中。研究小组在电解质溶液中加入了磁性纳米颗粒，这使得它对磁场有反应，并使其能够被搅拌，从而将静态的电解质变成动态的。这样做的结果是快速而均匀地播撒锂核，防止树枝状结晶的形成。在一个概念性的电池系统中，该团队能够在高充电率和稳定的循环中证明这一点。插图描述了概念性电池系统中的磁力搅拌电解质图像来源/大邱庆北科技学院根据这些早期结果，该团队认为其技术可用于大幅提高锂金属电池的可靠性和寿命，并指出它在应用于其他电解质时也能产生同样的效果。"这是一个新概念的电解质系统，可以通过磁性纳米颗粒创造出一种以前从未尝试过的动态电解质，并改变电解质研究的模式，"研究作者LeeHong-kyung教授说。"它可以立即应用于使用液体电解质的各种电化学系统"。这项研究发表在《先进功能材料》杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1335401.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1335401.htm

韩国研究人员为未来的锂电池开发出一种新型轻质结构

韩国研究人员为未来的锂电池开发出一种新型轻质结构浦项科技大学（POSTECH）化学系的SoojinPark教授和博士生Dong-YeobHan与韩国能源研究所（KIER）的GyujinSong博士以及浦项N.EX.THUB的研究团队合作开发出了一种三维聚合物结构。这种轻质结构有利于锂（Li）离子的传输。他们的研究成果最近发表在国际期刊《先进科学》（AdvancedScience）的网络版上。电池技术的进步用于电动汽车和智能手机等电子设备的电池技术不断发展。值得注意的是，锂金属阳极的能量容量为3860mAh/g，是目前商业化石墨阳极的十倍以上。锂金属阳极可以在更小的空间内储存更多的能量，而且与石墨或硅不同，锂金属阳极可以作为电极直接参与电化学反应。然而，在充电和放电过程中，锂离子的不均匀分布会产生被称为"死锂"的区域，从而降低电池的容量和性能。此外，当锂向一个方向增长时，它可能会到达相反一侧的阴极，从而造成内部短路。虽然最近的研究重点是优化三维结构中的锂传输，但这些结构大多依赖重金属，大大降低了电池的单位重量能量密度。锂电沉积后的混合结构内部几何形状示意图。资料来源：POSTECH用于阳极的创新型三维结构为了解决这个问题，研究小组利用聚乙烯醇（一种对锂离子具有高亲和力的轻质聚合物）与单壁碳纳米管和纳米碳球相结合，开发出了一种混合多孔结构。这种结构比通常用于电池阳极的铜（Cu）集流体轻五倍以上，对锂离子有很高的亲和力，有利于锂离子通过三维多孔结构中的空隙迁移，实现均匀的锂电沉积。在实验中，采用了该团队三维结构的锂金属阳极电池在经过200多次充放电循环后表现出很高的稳定性，并达到了344Wh/kg（能量与电池总重量之比）的高能量密度。值得注意的是，这些实验使用的是代表实际工业应用的袋装电池，而不是实验室规模的纽扣电池，这凸显了该技术商业化的巨大潜力。POSTECH的SoojinPark教授表达了这项研究的意义，他说："这项研究为最大限度地提高锂金属电池的能量密度开辟了新的可能性"。KIER的GyujinSong博士强调说："这种结构兼具轻质特性和高能量密度，是未来电池技术的一个突破"。编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1433139.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1433139.htm