科学家打造下一代锂电池“数字化身”

锂金属电池是可充电锂离子电池的“近亲”，广泛应用于便携式电子产品和电动汽车领域。作为下一代能源存储设备，锂金属电池应用有着光明前景。

现在，美国斯坦福大学的一项新研究为制造更好、更安全的锂金属电池指明了一条前进的道路。相关研究近日发表于《电化学学会杂志》。

更长寿的锂电池

与锂离子电池相比，锂金属电池可以储存更多的能量，充电速度更快，重量也更轻。

但到目前为止，可充电锂金属电池的商业用途还很有限。

一个主要原因是“树突”——随着锂金属在电极上积累而生长的树状结构的形成，这些枝晶会降低电池性能，并最终导致故障，在某些情况下，甚至会引发火灾。

斯坦福大学的研究人员试图从理论角度解决枝晶问题。他们开发了一个数学模型，可将涉及“树突”形成的物理和化学问题结合在一起。

该模型提供了一种见解，即在新的电解质(锂离子在电池内两个电极之间移动的介质)中交换一定的特性，以减缓甚至完全阻止枝晶的生长。

“我们的目的是服务于更长寿命的锂金属电池的设计。”该研究第一作者、斯坦福大学能源工程领域博士生Weiyu Li说，“我们的数学框架解释了锂金属电池的关键化学和物理过程。”

“这项研究提供了有关树突形成条件的一些具体细节，以及抑制它们生长的潜在途径。”该研究共同通讯作者，斯坦福大学地球、能源与环境科学学院教授Hamdi Tchelepi说。

阻止枝晶形成

长期以来，实验人员一直努力探究导致枝晶形成的因素，但实验室工作是劳动密集型的，很难解释研究结果。为此，研究人员开发了电池内部电场和锂离子通过电解质材料传输的数学模型，以及其他机制。

这样，有研究结果在手，实验人员就可专注于开发在物理上合理的材料和建筑组合。“希望其他研究人员可以利用我们的发现设计具有正确性能的设备，并减少他们在实验室中必须进行的反复试验和缩小实验变化的范围。”Tchelepi说。

具体来说，这项研究要求的电解质设计新策略包括了解材料的各向异性，这意味着它们在不同方向上表现出不同的性质。木材是典型的各向异性材料，其纹理的方向性非常强，很多时候可以看到木材的线条，而非纹理。

在具备各向异性电解质的前提下，这些材料可以微调离子传输和界面化学之间的复杂相互作用，阻止枝晶的形成。研究人员指出，一些液晶和凝胶显示出这些特性。

该研究确定的另一种方法集中在电池隔板上—— 一种防止电池两端电极接触和短路的薄膜。他们表示可以设计出具有孔隙特征的新型隔板，使锂离子以各向异性的方式在电解液中来回通过。

构建“数字化身”

该团队期待看到其他科学家继续沿着他们给出的“线索”开展研究。接下来的步骤包括制造依赖新电解质配方和电池架构的设备，测试哪些设备可能是有效、可扩展和经济的。

“在复杂电池系统的材料设计和实验验证方面还要进行大量研究。”该研究共同通讯作者、斯坦福大学能源工程教授Daniel Tartakovsky说。

根据这些最新研究结果，Tartakovsky和同事正在构建一个被称为“数字化身”的锂金属电池系统(DABS)虚拟代表。

“这项研究是DABS的关键组成部分，我们的实验室正在开发一种全面的‘数字化身’或锂金属电池的复制品。”Tartakovsky说，“有了DABS，我们将继续提升这些有前途的储能设备的技术水平。”

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