工作原理圖

近日，美國(guó)加州大學(xué)圣地亞哥分校教授詹姆斯·弗蘭德開(kāi)發(fā)了一種表面超聲波裝置，可利用超聲波驅(qū)使電解液流動(dòng)，提高離子分布的均勻性，從而實(shí)現(xiàn)快速充電并提高電池的循環(huán)壽命。相關(guān)論文發(fā)表于《先進(jìn)功能材料》。

從電網(wǎng)儲(chǔ)能、智能機(jī)器人到電動(dòng)汽車，可充電電池是推動(dòng)其發(fā)展的關(guān)鍵。目前最好的鋰離子電池的能量密度(240瓦小時(shí)/千克)僅為鉛酸電池能量密度(40瓦小時(shí)/千克)的六倍，其安全性、可充電性、比容量和循環(huán)壽命都要繼續(xù)改進(jìn)。

以金屬鋰為負(fù)極的鋰金屬電池?fù)碛谐^(guò)500瓦小時(shí)/千克的能量密度，是當(dāng)下最好的鋰離子電池的兩倍，但鋰金屬在循環(huán)過(guò)程中會(huì)有枝晶產(chǎn)生，導(dǎo)致一系列安全問(wèn)題，這也阻礙了鋰金屬電池的商業(yè)化發(fā)展。

此次研究，弗蘭德期待解決阻礙電池50多年來(lái)發(fā)展進(jìn)步的兩個(gè)根本問(wèn)題，即充電時(shí)間長(zhǎng)和循環(huán)壽命短。尤其是要解決較為嚴(yán)重的鋰枝晶問(wèn)題，因?yàn)橹У男纬蛇M(jìn)一步消耗了電解液和鋰負(fù)極。

在之前的研究中，有人提出對(duì)鋰金屬電池施加外部磁力通過(guò)磁流體動(dòng)力學(xué)來(lái)抑制枝晶的持續(xù)生長(zhǎng)，但此方法能耗高且性能受限。與此同時(shí)，在傳統(tǒng)的化學(xué)氣相沉積過(guò)程中，超聲波被用來(lái)驅(qū)動(dòng)電解液流動(dòng)，提高離子分布的均勻性。然而，超聲波設(shè)備體積龐大、低效且電化學(xué)不兼容，不適合實(shí)際應(yīng)用。

相比之下，只有指甲大小的表面超聲波裝置能夠供應(yīng)優(yōu)異的功率密度，產(chǎn)生108~1010米/秒的局部極端加速度，驅(qū)動(dòng)流體流動(dòng)速度高達(dá)1米/秒，常常被用于生物傳感器和微流體中的粒子收集等方面。標(biāo)準(zhǔn)的紫外光刻蝕和加工過(guò)程可廉價(jià)地生產(chǎn)表面超聲波裝置，在低損耗的單晶壓電鋰的鈮酸鹽襯底上沉積交錯(cuò)金屬電極。

為此，弗蘭德開(kāi)發(fā)了一種表面超聲波裝置，以此來(lái)克服鋰金屬電池中長(zhǎng)期存在的問(wèn)題。該裝置通過(guò)驅(qū)使電解液在電極間隙之間充分流動(dòng)，盡可能地防止枝晶的產(chǎn)生和電解液的耗盡。

由表面超聲波裝置內(nèi)部產(chǎn)生的聲波(流體)驅(qū)動(dòng)的流動(dòng)，顯著降低了電解液中鋰離子的濃度梯度，即使在快速充電的情況下，也能夠?qū)崿F(xiàn)均勻的鋰沉積。此外，表面超聲波裝置的功耗約為10毫瓦時(shí)/平方厘米，與充電本身相比，相對(duì)較小。在鋰金屬電池放電過(guò)程中，枝晶不易形成。

該文設(shè)計(jì)了一種與化學(xué)物質(zhì)無(wú)關(guān)的方法，以避免電解液中離子耗盡和枝晶生長(zhǎng)。采用小型高頻超聲波裝置能夠有效驅(qū)使電解液在電極間隙內(nèi)產(chǎn)生均勻的離子通量分布，使枝晶生長(zhǎng)的潛在位置在超聲源的特定距離內(nèi)保持穩(wěn)定。這種簡(jiǎn)單的技術(shù)將有助于提高電池的效率、效用和可持續(xù)性，可用于當(dāng)前和未來(lái)的可充電電池中。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1002/adma.201907516