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科学家通过在锂金属表面涂覆碳纳米管薄膜来制备高性能电池

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发表时间:2018-11-02 09:29来源:材料科技在线

莱斯大学的科学家们正在研究使用碳纳米管薄膜来制造高性能、快速充电的锂金属电池,以合理地替代普通的锂离子电池。


莱斯大学James Tour实验室的研究成员揭示了纳米管薄膜可有效地阻止电池中无保护锂金属阳极中枝晶的自然生长。随着时间的推移,这些触须状的树枝可以穿透电池的电解质核心并到达阴极,最终导致电池失效。


这一难题虽阻碍了锂金属在商业市场中的应用,但又鼓励了世界各地的研究人员来解决这一问题。


锂金属的充电速度比几乎所有电子设备(包括手机和电动汽车)中的锂离子电极要快得多,而且其体积所能容纳的能量约为锂离子电极的10倍。


Tour教授说:“锂离子电池中减慢树枝晶生长的方法之一就是限制电池的充电速度。但现实中人们并不喜欢这样。他们反而希望充电速度能够更快些。”


他还继续说道:“我们的研究团队在《先进材料》杂志上对这个问题的解决方案进行了详细的描述,这种方法既很简单,成本又低廉,而且在阻止枝晶生长方面非常有效。”


Tour教授解释道:“我们做的所有工作其实都很简单,只需要给一个金属锂箔表面涂上一层多壁碳纳米管薄膜即可。纳米管薄膜附着在锂金属表面上,薄膜会从黑色变为红色,而如果将薄膜反过来时又可以促使了锂离子进行扩散。

莱斯大学研究人员进行500次充放电循环后,金属锂阳极的形貌如图所示,左图电极有一层碳纳米管阻止着枝晶的生长。右图是无保护的金属锂阳极中出枝晶生长的形貌

图片来源:Tour研究小组/莱斯大学


莱斯大学博士后研究员 Rodrigo Salvatierra说:“与金属锂的物理接触会对纳米管薄膜产生损耗,但可以通过增加锂离子使其保持平衡,而且这些锂离子分布在纳米管膜上。”


当使用电池时,纳米管薄膜会将储存的离子进行放电,而底层的锂阳极则重新充电,从而保持了薄膜阻止枝晶生长的能力。


在先前的实验中,我们利用硫化碳阴极,对电池进行了超过580个充放电周期的测试,发现这种结构的纳米管薄膜可有效的淬灭了枝晶的生长。研究人员报告说,完整的锂金属电池保留了99.8%的库仑效率,而这是衡量电子在电化学系统内运动好坏的依据。

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