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哈佛科学家研发"三明治式电池",充电时间仅10分钟

据了解,这种替代结构还能提供比同类电池更长的寿命,因为它使用了高性能的锂金属和固体电解质,使其能在数千次循环中保持稳定。

哈佛大学的科学家们提出了一种实验性电池新设计,据称这种电池可以使电动汽车在短短10分钟内完成充电。

据了解,这种替代结构还能提供比同类电池更长的寿命,因为它使用了高性能的锂金属和固体电解质,使其能在数千次循环中保持稳定。这项研究成果已于本月12日被刊登在了知名科学期刊《自然》(Nature)上。

一直以来,科学家们都希望通过将用于阳极的石墨和铜换成锂金属来提高现在锂离子电池的性能。阳极、液体电解质和电池的另一个电极(阴极)一起工作,在设备充电和放电时来回传递离子,而锂金属的出色容量和密度使其成为一种有吸引力的材料。

哈佛大学约翰・保尔森工程与应用科学学院材料科学副教授Xin Li表示,“锂金属电池被认为是电池化学的圣杯,因为它的高容量和能量密度。但这类电池的稳定性一直很差。”

而稳定性差的原因,他进一步解释称,就是被称为枝晶的微小针状突起,它们在锂金属阳极的表面形成,会进入液体电解质并侵蚀电池的性能,常常导致电池短路或起火。

因此,科学家们希望用固体电解质代替含有挥发性溶剂的液体电解质,从而避免这一问题。最近,麻省理工学院(MIT)和澳大利亚迪肯大学(Deakin University)的研究小组已经提出了一些有前景的潜在解决方案。而现在,MIT科学家们正在将一种类似于BLT三明治的组合投入到设计中。

为了保护固态锂金属电池不受枝晶驱动的破坏,该团队将电池分成不同的层,每层都有不同的稳定性。它们位于作为“面包”的两个电极之间,包括石墨涂层(生菜)、第一电解质层(番茄)、第二电解质层(培根),最后是又一层第一电解质(又是番茄)。

据悉,第一和第二这两种电解质的化学成分会略有不同,这使得第一种电解质易于被枝晶穿透,但在锂的作用下会更稳定,第二种电解质在锂作用下不太稳定,但对枝晶“免疫”。通过这种方式,电池不会阻止树枝状晶的形成,但能够安全地控制和遏制它,并被三明治的“培根”层挡住。

该研究报告的共同作者Luhan Ye表示,“我们为了稳定电池而纳入不稳定性的策略看上去是反直觉的,但就像一个锚栓可以引导和控制进入墙壁的螺栓一样,我们的多层设计也可以引导和控制树突的生长。”

此外,电池还可以通过回填枝晶产生的间隙来自我修复。在测试中,该团队发现,该电池在1万次循环后仍能保持82%的容量,并展示了有朝一日可以让电动汽车在10至20分钟内充电的电流密度。

研究人员表示,“这一概念验证设计表明,锂金属固态电池可以与商用锂离子电池竞争。我们多层设计的灵活性和多功能性使其有可能与电池行业的大规模生产程序兼容。将其推广到商业电池并不容易,仍存在一些实际挑战,但我们相信它们将被克服。”

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