斯坦福最新研究:利用数学模型,突破锂金属电池发展“痛点”

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近日,美国斯坦福大学一项新研究为制造更优质、更安全的锂金属电池指明了新的方向。

前述大学研究人员开发出新的数学模型,从理论角度来探讨锂金属电池中“枝晶” (dendrites)问题,以突破锂金属电池中的发展“痛点”。相关成果发表在《电化学学会杂志》(Journal of The Electrochemical Society)。

图片来自alengo/iStock

斯坦福最新研究:利用数学模型,突破锂金属电池发展“痛点”

数学模型突破枝晶“痛点”

锂金属电池是可充电锂离子电池的“近亲”,广泛应用于便携式电子产品和电动汽车。作为新一代能源存储设备,锂金属电池发展前景非常可观:相较于锂离子电池,锂金属电池能储存更多能量,充电速度更快,重量也更轻。

斯坦福最新研究:利用数学模型,突破锂金属电池发展“痛点”

但目前,可充电锂金属电池的商业用途依然很有限。其主要原因之一是枝晶的形成,枝晶是随着锂金属在电池的电极上逐渐积累,从而生长的金属状、薄薄的树状结构。这些枝晶不仅会降低电池性能,还会导致电池故障,在某些情况下,甚至会引发火灾。因此,如何阻止或减缓枝晶的形成,成为有效解决锂金属电池退化和失效的“痛点”问题。

斯坦福最新研究:利用数学模型,突破锂金属电池发展“痛点”

此次,斯坦福大学研究人员开发出一个数学模型,将涉及到枝晶形成的物理和化学问题结合到一起。该模型提供了一种新的见解,即在新的电解质中交换一定特性,可以减缓甚至完全阻止枝晶的生长。电解质是锂离子在电池内两个电极之间移动的介质。

“我们的研究目的是帮助指导设计寿命更长的锂金属电池,”论文主要作者、斯坦福大学能源工程专业博士生Weiyu Li表示,此次研究的数学框架可以合理解释锂金属电池中重要的化学和物理过程。”

“这项研究提供了有关枝晶形成条件的一些具体细节,以及抑制它们生长的可能途径。”斯坦福大学地球、能源与环境科学学院教授Hamdi A Tchelepi说道。

构建锂金属电池“数字化身”

斯坦福研究团队提出了电解质设计新方案,其中包括寻找具有各向异性的材料,即材料在不同方向上表现出不同的性质。各向异性电解质材料可以微调离子传输和界面化学之间复杂的相互作用,抑制枝晶的形成。研究人员表示,一些液晶和凝胶可以显示出相关特性。

其研究发现的另一种理论方法集中在电池隔膜上,通过薄膜防止电池两端电极接触和短路。研究人员认为,通过设计出具有孔隙特征的新型隔膜,可以使锂离子以各向异性的方式在电解质中来回传输。

基于前述研究成果,团队正在构建锂金属电池系统的数字化表示形式,即“数字化身” (DABS)。

“这项研究是DABS的关键组成部分。”斯坦福大学能源工程专业教授Daniel Tartakovsky表示实验室正在开展相关研究,未来将借助DABS,进一步提升锂金属电池的技术发展水平。

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