斯坦福最新研究:利用数学模型,突破锂金属电池发展“痛点”

今日热点 2022-06-23 21:59 18

摘要:近日,美国斯坦福大学一项新研究为制造更优质、更安全的锂金属电池指明了新的方向。前述大学研究人员开发出新的数学模型,从理论角度来探讨锂金属电池中“枝晶”(den...

最近,A股市场放量上涨:超百股涨逾9%,北向资金净流入超百亿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新的方向。

上述大学研究人员开发了一种新的数学模型,从理论上探讨锂金属电池中的枝晶问题,以此突破锂金属电池的发展“痛点”。相关结果发表在《电化学学会杂志》(电化学学会杂志)上。图片来自alengo/iStock

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数学模型突破树突“痛点”

锂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。作为新一代储能设备,锂金属电池的发展前景非常可观: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,重量更轻。

然而,目前,可充电锂金属电池的商业使用仍然有限。其中一个主要原因是枝晶的形成,枝晶是一种类似金属的细小树状结构,随着锂金属在电池电极上的逐渐积累而生长。这些枝晶不仅会降低电池性能,还会导致电池失效。在某些情况下,它们甚至会引起火灾。因此,如何防止或减缓枝晶的形成成为有效解决锂金属电池退化失效的“痛点”问题。

这一次,斯坦福大学的研究人员开发了一种数学模型,结合了与枝晶形成相关的物理和化学问题。这个模型提供了一个新的见解,即新电解质中某些特性的交换可以减缓甚至完全阻止枝晶的生长。电解液是锂离子在电池两个电极之间移动的介质。

“我们研究的目的是帮助指导设计寿命更长的锂金属电池,”论文的第一作者、斯坦福大学能源工程专业的博士生李维余说。这项研究的数学框架可以合理地解释锂金属电池中重要的化学和物理过程。"

“这项研究提供了一些关于枝晶形成条件和抑制其生长的可能方法的具体细节。”斯坦福大学地球、能源和环境科学学院的教授Hamdi A Tchelepi说。

构建锂金属电池的“数字化身”

斯坦福研究团队提出了电解质设计的新方案,包括寻找各向异性材料,即材料在不同方向上表现出不同的性质。各向异性电解质材料可以微调离子传输和界面化学之间的复杂相互作用,并抑制枝晶的形成。研究人员表示,一些液晶和凝胶可以显示相关属性。

研究发现的另一种理论方法集中在电池隔板上,它可以防止电池两端的电极接触和短路。研究人员认为,通过设计一种具有孔隙特征的新膜,锂离子可以以各向异性的方式在电解质中来回传输。

基于上述研究成果,该团队正在构建一个锂金属电池系统的数字表示,即“数字化身”(DABS)。

"这项研究是DABS的重要组成部分."斯坦福大学能源工程教授Daniel Tartakovsky表示,实验室正在开展相关研究,未来将利用DABS进一步提高锂金属电池的技术开发水平。

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