斯坦福大学崔屹团队再发Nature! 可使“死锂”再生,让锂电池寿命增加近30%

作者:Sam  来源:DeepTech深科技  时间:2022-02-02

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作者:Sam


近日,斯坦福大学纳米材料领域科学家崔屹团队再发 Nature!据悉,以见刊时间为基准计算,截至 2021 年 12 月 31 日,2021 年度崔屹在 Nature 子刊、Advanced MaterialsJACSPNAS 等期刊,已发表了近 40 篇研究成果。


图|崔屹(来源:资料图)


本次发表的研究成果主要与锂电池中“孤立锂(i-Li)的动态空间进展”有关。


众所周知,电池作为重要储能设备,可以给人们的生产、生活带来诸多益处。在中国“碳达峰”“碳中和”加速推进的背景下,电池的商业化得到了进一步推广和发展,人们所使用的 3C 设备、电动车、储能电站的密集型布局,从侧面反映出高性能锂电池需求显著增长的趋势。


但科学界对锂电池技术的探索脚步从未停止,在 2019 年,科学家美国德州大学奥斯汀分校约翰·古德纳夫(John B Goodenough)教授获诺贝尔化学奖,该奖项表彰了对锂离子电池正、负极及产业化推广具有突出贡献的科研人员。


然而,大量固体电解质界面和孤立锂(i-Li)的产生,却加快了锂阳极容量衰减和电池循环寿命的降低。随着锂电池的循环,并不活跃的锂就像“沙子”一样堆积在一起,形成一个“小岛”,业界将这个小岛形象地称之为“锂岛”,它切断了锂电池电极之间“来往”,让电池存储电荷的能力降低。



图|锂电池运行过程中电解液的电位分布(来源:Nature


为了解决以上难题,美国能源部(National Accelerator Laboratory,SLAC)联合斯坦福大学找到了一种恢复锂电池性能的策略,该策略打破了「锂岛」对锂电池两极之间的阻碍,进而提高锂电子设备的寿命,从而可增加电动汽车的续航能力。


2021 年 12 月 22 日,相关论文以《电池运行期间孤立锂的动态空间进展》(Dynamic spatial progression of isolated lithium during battery operations)为题发表在 Nature 上,由美国斯坦福大学材料科学与工程系教授崔屹担任通讯作者 [1]。


图|相关论文(来源:Nature


该团队发现,在锂电池中“死锂”并非全无益处,当我们给电池充电的时候,“死锂”会缓慢地移向电池阴极,而在锂电池放电时,它则会缓慢移向阳极。


于是科学家设想,假如能够让这个“死锂”持续移动,最终让其与锂电池阳极接触,让新的电荷再次重连,可能产生意料之外的效果。为此,他们还进一步做了实验。该团队惊讶地发现,这种方法居然可以延缓实验中锂电池性能的衰减,让锂电池的寿命增加近 30%。


图|锂电池测试单元在充放电时,锂岛在电极之间的来回蠕动(来源:Nature


金属锂电池循环寿命差是目前实际应用的最大阻碍,这与电池内部化学性质活泼的金属锂有密切相关。由于电池循环的过程中容易被电解液腐蚀,使电池容量快速衰减,对于电池的长循环非常不利。


崔屹告诉媒体:“我之前一直以为孤立的锂对锂电池是有害的,由于它的存在会让电池衰变,甚至在极端条件下会着火,好在我们已经通过实验测试发现了如何将这种锂岛'重新激活'的方法。”


这种策略主要通过由锂镍锰钴氧化物(Lithium-Nickel-Manganese-Cobalt-Oxide,NMC)的阴极、锂阳极和“死锂”组成光学电池测试装置,进而利用该装置密切监测锂电池内部的动态变化。


图|“死锂”在充电过程中的形态演变(来源:Nature


南开大学化学学院特聘研究员赵庆表示,“该工作对物理上的『死锂』提供的最新的认识,通过简单的电化学方法,能够让'死锂'再生,这对锂金属电池包括无金属锂负极的设计都有帮助。同时,这种概念未来很容易推广到其他金属,比如钠、钾、锌等,对推动金属二次电池的发展具有重要的意义。”


此外,该研究中以镀在铝箔上的 LiNi0.5Mn0.3Co0.2O2(NMC)阴极,同时采用镀铜石墨作为石墨阳极。在铜锂半电池中采用了高纯锂箔和铜箔,在铜箔上叠层薄锂箔作为 NMC-Li 全电池的锂阳极,该团队的制备思路对更坚固的锂金属电池创新起到较大的推动。


在产业层面,与能源汽车紧密相关的电池一直推动和影响着能源汽车的发展,电池技术也一直在突破,从最早爱迪生发明的镍隔蓄电池、镍铅酸电池、镍氢蓄电池,一直到今天的锂电池。


复旦大学晁成栋曾表示:“实际上,将锂离子电池和钠离子有机电解液作为大量添加,当遇到紧急情况包括高温爆炸,不可避免发生燃烧或者爆炸的风险,由于电池安全性问题,给人们造成人身和财产伤亡的事件时有发生,这些案例不断地提醒用户'安全'才是电池安身立命的根本。”


值得关注的是,该研究还在锂电池充电完成之后,添加了一个快速的高电流放电程序,这样会让隔离的锂移动得足够远,以使其与阳极重新连接将锂激,达到电池使用寿命延长的效果,这对制备更优越的锂金属电池有更加广泛的影响力。


-End-


参考:

1. Fang Liu et al., Nature 600, 659–663 (2021).

https://www.nature.com/articles/s41586-021-04168-w

https://techxplore.com/news/2022-01-revitalizing-batteries-dead-lithium-life.html



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