研究人员研发出新型二维电池隔膜 可使锂金属电池寿命翻倍

传统锂离子电池的能量密度不断接近饱和点，无法满足电动汽车等未来应用的需求。与锂离子电池相比，单位重量的锂金属电池可以提供两倍的能量。然而，锂金属电池的应用存在一个主要问题，因为锂枝晶可能会在锂金属阳极上形成。这是一个非常小的针状结构，形状类似于石洞中的石笋。这些树枝状晶体将继续生长，直到穿透隔膜，导致电池短路并最终损坏电池。

多年来，世界各地的专家一直在寻找解决这个问题的方法。据外媒报道，近日，耶拿弗里德里希-席勒大学的科学家以及波士顿大学和韦恩州立大学的同事成功阻止了锂金属电池中枝晶的形成，使其寿命延长了一倍多。在电荷转移过程中，锂离子在阳极和阴极之间来回移动。每当它们获得电子时，就会沉积一个锂原子，锂原子会积聚在阳极上。在堆积点，晶体表面将三维生长，形成枝晶。该隔膜的孔隙将影响枝晶的成核。如果离子传输更加均匀，就可以避免树枝状成核。耶拿大学的Andrey Turchanin教授解释说， “这也是我们将极薄的碳基二维薄膜应用于隔膜的原因。碳基二维膜的孔径小于1纳米，小于临界核尺寸，从而防止了枝晶成核。锂不再形成树枝状结构，而是以光滑薄膜的形式沉积在阳极上。这不仅不会损坏隔膜，但也不会影响电池功能。耶拿大学的Antony Geore博士说：“为了测试这种方法，我们用混合隔膜对测试电池进行了多次充电。结果表明，即使经过数百次充电和放电循环，也没有检测到树枝状生长。WSU副教授Leela Mohana Reddy Arava表示：新方法的关键创新在于能够在不改变当前电池生产工艺的情况下，仅通过超薄薄膜稳定电极/电解质界面。界面稳定性是提高电化学系统性能和安全性的关键。“与现代电动汽车电池的重量/体积相同，高能量密度电池在一次充电后扩展了电动汽车的续航里程，并延长了便携式电子设备的续航里程。WSU研究生Sathish Rajendran说，”与其他电池组件相比，隔膜受到的关注最少，但是隔膜上的纳米厚二维膜会影响电池的寿命。“研究团队认为，这一发现可能会带来新一代锂电池，因此他们已经申请了专利。接下来，他们将研究如何将二维膜应用集成到生产过程中。此外，研究人员希望将这一发现应用于其他类型的电池。

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