在空心多孔碳结构中储存离子可以实现快速充电?科学家给出答案

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据New Atlas报道,韩国国家科技研究委员会的科学家们展示了一种很有前景的新电池结构,这种结构可以大大改善容量和充电时间。这一突破源于高密度锂金属电池的新设计,该设计仔细控制有问题的离子生长,使其能够在数百次循环中保持功能。

目前使用的锂电池有一个由石墨制成的阳极组件,但如果科学家们能够使用纯金属锂来代替,这将标志着能源储存技术的巨大飞跃。这是因为锂金属的理论容量约为石墨的10倍,约为3860 mAh/g ,而石墨为372 mAh/g ,这将使电动汽车在每次充电后行驶得更远,或者使智能手机能够运行一周时间。

但是,这些电池通过不同的化学反应产生能量,而这些反应带来了另一组需要解决的问题。随着锂金属电池的循环,锂离子在阳极表面不均匀地生长,形成被称为枝晶的结构。这些突起会导致阳极膨胀,电池短路或起火。大量的研究都集中在解决这个问题上。

这项新研究的作者用一种具有空心的多孔碳结构来解决这个问题,作为阳极。这些被称为Li-confinable core–shell hosts的结构被认为是这一领域令人振奋的前景,它们能够在循环过程中通过将锂存放在空心中来防止枝晶生长和体积膨胀。然而,它们确实在另一个方面存在着不良的电化学性能,在操作过程中仍然在结构的表面形成不良的锂生长,这就是所谓的顶部电镀。

该团队已经为这些结构开发了一种新的设计,在中空核心中加入了少量的金纳米粒子。这些颗粒对锂离子有亲和力,因此能够控制它们的生长方向,将它们诱入核心,同时还在外壳中形成纳米级的孔隙,进一步促进锂离子向空心中心迁移。

这有助于防止枝晶生长和顶部电镀,由此产生的电池设计在该团队的模拟实验中显示出巨大的潜力。在高电流充电条件下,锂离子沉积被保持在结构内,并使其在高电流密度下的500次充电循环中保持82.5%的容量。研究小组认为,这种寿命和对高电流密度的耐受性指向了一种高容量的电池,它还可以快速充电。

领导该研究小组的Byung Gon Kim博士说:“尽管有高容量的优点,锂金属电池在商业化方面还有许多障碍需要克服,主要是由于稳定性和安全性问题。我们的研究是非常有价值的,因为我们开发了一种大规模生产具有高库仑效率的锂金属储能器的技术,用于快速充电的锂金属电池。”

该团队正在努力使该电池技术商业化,但首先需要开发一种兼容的电解质溶液,以便在使用过程中传输离子。

该研究发表在《ACS Nano》杂志上。

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