麻省理工學(xué)院 | 工程師們解開(kāi)了制造更小更輕電池的謎團(tuán)
指南者留學(xué)
2022-11-20 22:09:50
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<p><img src="https://info.compassedu.hk/sucai/content/1668953810826/1668953810826.jpg" width="808" height="538" /></p>
<p>麻省理工學(xué)院(MIT)研究人員的一項(xiàng)發(fā)現(xiàn)可能最終為設(shè)計(jì)一種新型可充電鋰電池打開(kāi)了大門(mén),這種電池比現(xiàn)有的版本更輕、更緊湊、更安全,世界各地的實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)研究了多年。</p>
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<p>電池技術(shù)這一潛在飛躍的關(guān)鍵在于,用更薄、更輕的固態(tài)陶瓷材料層取代位于正負(fù)電極之間的液體電解質(zhì),并用固態(tài)金屬鋰取代其中一個(gè)電極。這將大大減少電池的整體尺寸和重量,并消除與易燃液體電解質(zhì)相關(guān)的安全風(fēng)險(xiǎn)。但這一探索一直受到一個(gè)大問(wèn)題的困擾:樹(shù)突。</p>
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<p>樹(shù)突(dendrite)這個(gè)名字來(lái)自拉丁語(yǔ),意思是“分支”。樹(shù)突是金屬的突出物,可以在鋰表面積聚,并滲透到固體電解質(zhì)中,最終從一個(gè)電極穿過(guò)到另一個(gè)電極,導(dǎo)致電池短路。研究人員還無(wú)法就這些金屬絲的產(chǎn)生原因達(dá)成一致,也沒(méi)有在如何防止它們從而使輕量級(jí)固態(tài)電池成為實(shí)際選擇方面取得很大進(jìn)展。</p>
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<p>這項(xiàng)由麻省理工學(xué)院教授蔣yet - ming Chiang、研究生Cole Fincher以及麻省理工學(xué)院和布朗大學(xué)的其他五人共同發(fā)表在《焦?fàn)枴冯s志上的新研究似乎解決了導(dǎo)致樹(shù)突狀形成的原因這個(gè)問(wèn)題。它還展示了如何防止樹(shù)突穿過(guò)電解質(zhì)。</p>
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<p>蔣說(shuō),在該小組早期的工作中,他們有了一個(gè)“令人驚訝和意想不到的”發(fā)現(xiàn),即用于固態(tài)電池的堅(jiān)硬的固體電解質(zhì)材料可以被鋰穿透,鋰是一種非常軟的金屬,在電池充放電過(guò)程中,鋰離子在電池兩側(cè)移動(dòng)。</p>
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<p>這種離子的來(lái)回穿梭導(dǎo)致電極的體積發(fā)生變化。這不可避免地在固體電解質(zhì)中造成壓力,它必須與夾在它中間的兩個(gè)電極完全接觸。蔣說(shuō):“要沉積這種金屬,體積必須擴(kuò)大,因?yàn)槟阍黾恿诵碌馁|(zhì)量。”“因此,鋰沉積的電池一側(cè)的體積增加了。如果存在微小的缺陷,就會(huì)對(duì)這些缺陷產(chǎn)生壓力,從而導(dǎo)致開(kāi)裂。”</p>
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<p>該團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在證明,這些壓力導(dǎo)致了裂縫,使樹(shù)突得以形成。解決這個(gè)問(wèn)題的方法是施加更多的壓力,在正確的方向上施加適量的力。</p>
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<p>此前,一些研究人員認(rèn)為樹(shù)突是由純電化學(xué)過(guò)程而不是機(jī)械過(guò)程形成的,但該團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)證明,是機(jī)械壓力導(dǎo)致了問(wèn)題。</p>
<p>樹(shù)突的形成過(guò)程通常發(fā)生在電池不透明材料的深處,無(wú)法直接觀察到,因此Fincher開(kāi)發(fā)了一種使用透明電解質(zhì)制造薄電池的方法,可以直接看到和記錄整個(gè)過(guò)程。他說(shuō):“當(dāng)你對(duì)系統(tǒng)施加壓力時(shí),你可以看到發(fā)生了什么,你可以看到樹(shù)突的行為是否與腐蝕過(guò)程或斷裂過(guò)程相適應(yīng)。”</p>
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<p>該團(tuán)隊(duì)證明,他們可以直接通過(guò)施加和釋放壓力來(lái)操縱樹(shù)突的生長(zhǎng),使樹(shù)突與力的方向完美地對(duì)齊。</p>
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<p>對(duì)固體電解質(zhì)施加機(jī)械應(yīng)力并不能消除枝晶的形成,但它確實(shí)控制了枝晶的生長(zhǎng)方向。這意味著它們可以被引導(dǎo)保持與兩個(gè)電極平行,并且永遠(yuǎn)不會(huì)越過(guò)另一邊,因此是無(wú)害的。</p>
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<p>在他們的測(cè)試中,研究人員使用了彎曲材料產(chǎn)生的壓力,材料被形成一個(gè)一端有重量的梁。但他們表示,在實(shí)踐中,可能有許多不同的方式來(lái)產(chǎn)生所需的壓力。例如,電解質(zhì)可以由具有不同熱膨脹量的兩層材料制成,因此材料有固有的彎曲,就像某些恒溫器所做的那樣。</p>
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<p>另一種方法是將嵌入其中的原子“涂覆”材料,使其變形,使其永久處于應(yīng)力狀態(tài)。蔣解釋說(shuō),這和生產(chǎn)智能手機(jī)和平板電腦屏幕上的超硬玻璃的方法是一樣的。而且所需的壓力并不極端:實(shí)驗(yàn)表明,150 - 200兆帕斯卡的壓力足以阻止枝晶穿過(guò)電解質(zhì)。</p>
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<p>所需的壓力“與商業(yè)薄膜生長(zhǎng)過(guò)程和許多其他制造過(guò)程中通常產(chǎn)生的壓力相稱”,因此在實(shí)踐中應(yīng)該不難實(shí)現(xiàn),芬奇補(bǔ)充道。</p>
<p>事實(shí)上,另一種不同的壓力,稱為堆疊壓力,經(jīng)常被應(yīng)用在電池電池上,本質(zhì)上是通過(guò)向垂直于電池板的方向擠壓材料——有點(diǎn)像通過(guò)在三明治上施加重量來(lái)壓縮它。人們認(rèn)為這可能有助于防止地層分離。但是現(xiàn)在的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明,這個(gè)方向的壓力實(shí)際上加劇了枝晶的形成。芬奇說(shuō):“我們發(fā)現(xiàn),這種堆疊壓力實(shí)際上加速了樹(shù)突誘導(dǎo)的破壞。”</p>
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<p>相反,我們需要的是沿著盤(pán)子的平面施加壓力,就像三明治從兩側(cè)被擠壓一樣。“我們?cè)谶@項(xiàng)工作中展示的是,當(dāng)你施加一個(gè)壓縮力時(shí),你可以迫使樹(shù)突沿著壓縮的方向移動(dòng),”芬奇說(shuō),如果這個(gè)方向是沿著平板的平面,樹(shù)突“永遠(yuǎn)不會(huì)到達(dá)另一邊。”</p>
<p>這最終可能使使用固體電解質(zhì)和金屬鋰電極生產(chǎn)電池成為現(xiàn)實(shí)。它們不僅能在給定的體積和重量中儲(chǔ)存更多的能量,而且還能消除對(duì)液體電解質(zhì)的需求,液體電解質(zhì)是一種易燃材料。</p>
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<p>蔣說(shuō),在演示了相關(guān)的基本原理之后,該團(tuán)隊(duì)的下一步將是嘗試將這些原理應(yīng)用到功能電池原型的創(chuàng)建中,然后明確需要什么樣的制造過(guò)程才能大量生產(chǎn)這樣的電池。他說(shuō),雖然他們已經(jīng)申請(qǐng)了專利,但研究人員并不打算將該系統(tǒng)商業(yè)化,因?yàn)橐呀?jīng)有公司在開(kāi)發(fā)固態(tài)電池。他說(shuō):“我想說(shuō)的是,這是對(duì)固態(tài)電池失效模式的理解,我們認(rèn)為該行業(yè)需要意識(shí)到這一點(diǎn),并試圖利用它來(lái)設(shè)計(jì)更好的產(chǎn)品。”</p>
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<p>該研究團(tuán)隊(duì)包括布朗大學(xué)的克里斯托·阿薩納蘇和布萊恩·謝爾登,以及麻省理工學(xué)院的科林·吉爾根巴赫、邁克爾·王和w·克雷格·卡特。這項(xiàng)工作得到了美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)、美國(guó)國(guó)防部、美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局和美國(guó)能源部的支持。</p>
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<p>注:本文由院校官方新聞直譯,僅供參考,不代表指南者留學(xué)態(tài)度觀點(diǎn)。</p>
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