半液态锂金属阳极锂电池比传统锂电池具有更高容量和安全性

作者：CarnegieMellonUniversity

卡内基梅隆大学梅隆理工学院的研究人员开发了一种半液态锂金属基阳极，它代表了电池设计的一种新模式。使用这种新型电极类型制造的锂电池比使用锂箔作为阳极的典型金属锂电池具有更高的容量和更安全的性能。

跨学科研究小组将他们的发现发表在最新一期的《焦耳》杂志上。

锂基电池是现代电子产品中最常见的充电电池类型之一，因为它能够储存大量的能量。传统上，这些电池是由可燃液体电解质和两个电极组成，电池隔膜将阳极和阴极分开。在电池反复充电和放电后，形为树枝状的锂链会在电极表面生长。树突可以穿透分隔两个电极的膜。会使阳极和阴极之间进行接触，这会导致电池短路，在最坏的情况下，还会引发着火。

卡内基梅隆化学系华纳大学自然科学教授KrzysztofMatyjaszewski说：“将金属锂阳极结合到锂离子电池中，理论上有潜力创造出比石墨阳极电池更大容量的电池。但是，我们需要做的最重要的事情是确保我们生产的电池是安全的。”

目前电池中使用的挥发性液体电解质的一种解决方案是用固体陶瓷电解质代替它们。这些电解质具有高导电性、不可燃性和足够强的抗树枝状结构。然而，研究人员发现，陶瓷电解质和固体锂阳极之间的接触不足以存储和提供大多数电子设备所需的电量。

SipeiLi是卡内基梅隆化学系的博士生，HanWang是卡内基梅隆材料科学与工程系的博士生，他发明了一种新型材料，可以用作半液态金属阳极，从而克服了这一缺点。

卡内基梅隆聚合物化学和材料科学的领导者Matyjaszewski和卡内基梅隆大学威尔顿.E.斯科特能源创新研究所所长、工程学院能源学教授JayWhitacre进行合作，后者以开发新能源技术而闻名。李和王创建了一种双导电聚合物/碳复合材料基体，锂微粒均匀分布在整个基体中。基质在室温下保持流动，这使得它能够与固体电解质产生足够的接触。通过将半液态金属阳极与石榴石基固体陶瓷电解质结合，他们能够在比采用固体电解质和传统锂箔阳极的电池高10倍的电流密度下循环电池。这种电池的循环寿命也比传统电池长得多。

“与普通锂金属相比，这种新的工艺路线可使锂金属电池阳极流动，具有非常吸引人的安全性和高性能。实施这种新材料可能会导致锂基可充电电池的阶跃变化，我们正在努力研究这在一系列电池结构中是如何工作的，”Whitacre说。

研究人员认为，他们的方法可能会产生深远的影响。例如，它可以用于制造电动汽车的大容量电池，以及用于需要柔性电池的可穿戴设备的专用电池。他们还认为，他们的方法可以扩展到锂以外的其他可充电电池系统，包括钠金属电池和钾金属电池，并可能被用于电网规模的能源储存。