哈佛找出鋰電池的世紀難題「樹枝狀結晶」解法!延長壽命還能高效充電

鋰電池是現今所有 3c 電子產品的能源核心,也是目前業界當紅寵兒「電動車」的相關關注焦點。電池追求的,無非就是:續航高、體積小、壽命長、充電快等重點。因此關於電池的研發技術也紛紛致力於對這些項目做進一步的改良。

鋰的樹枝狀結晶會戳壞電極,造成短路

鋰電池的致命弱點,或說大難題,其實在於一個叫做 樹枝狀結晶(dendrite) 的玩意兒。

File:Lithium dendrite.jpg - Wikimedia Commons
鋰離子的樹枝狀結晶,圖片來源:wikimedia

樹枝狀結晶普遍存在在電池的陽極,簡要來說:主要因為電池在放電與充電的過程當中鋰離子可能會不均勻的分布在電極上,進而造成陽極上會開始形成一些像樹枝狀的的結構,當樹枝狀的結構愈來愈長就可能造成電池短路。

關於這個世紀大難題(?)牽扯到電動車的關鍵未來,科學家們開始紛紛投入研究鋰電池樹狀結晶是如何形成,以及如何做出更穩定、續航力更高,更不容易跑出樹枝結晶等壞東西的電動車電池。

鋰電池鐘用固態鋰取代,能避免樹枝狀結晶生成

一份近期的研究論文提出了新解法: 由固態金屬材料取代鋰離子製成的鋰電池,能降低討厭的樹枝狀結晶生成的機率,且能提供更高的電池結構穩定性。

鋰離子與鋰金屬雖然都是鋰,但兩者型態完全不同,鋰金屬活性非常強(aka 容易爆炸)但鋰離子又會生成樹枝狀結晶,該怎麼辦呢?

一份在 nature 上研究論文就發表了提高穩定性的鋰固態電池設計策略:三明治結構。他們將電池的陽極改為固態鋰金屬,中間結構再由石墨、兩層不同的電解質等物質組成。這種固態電池的層次結構能讓超高電流通過而不容易產生樹枝狀結構,其內的固體電解質能防止不穩定的電解質層中產生局部分解進而防止「鋰枝」生長。

新的鋰電池技術能充電超過一萬次!

根據研究結果, 這樣的固態金屬鋰電池在經過一萬次充電循環後,仍然保持 82%的電容量 ,這與傳統的汽油車及電動車電池比起來,無論是能源的消耗還是電池的壽命都有著顯著的進步。

哈佛也發出了新聞稿表示, 這種電池技術可以讓電動車的電池使用壽命延長至 10~15 年 ,與汽油車的平均壽命相當。而且,這種電池的充電效能甚至最快只要 10 分鐘就能充飽。

鋰金屬電池會成為下一個電動車電池材料新寵兒嗎?哈佛大學研究者表示:這種概念設計與目前主流的鋰離子電池比起來,無疑是非常的有競爭力。

參考資料:naturepopularmechanics

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