“迷你”超声波装置实现电池快充

工作原理图

近日，美国加州大学圣地亚哥分校教授詹姆斯·弗兰德开发了一种表面超声波装置，可利用超声波驱使电解液流动，提高离子分布的均匀性，从而实现快速充电并提高电池的循环寿命。相关论文发表于《先进功能材料》。

从电网储能、智能机器人到电动汽车，可充电电池是推动其发展的关键。目前最好的锂离子电池的能量密度(240瓦小时/千克)仅为铅酸电池能量密度(40瓦小时/千克)的六倍，其安全性、可充电性、比容量和循环寿命都要继续改进。

以金属锂为负极的锂金属电池拥有超过500瓦小时/千克的能量密度，是当下最好的锂离子电池的两倍，但锂金属在循环过程中会有枝晶产生，导致一系列安全问题，这也阻碍了锂金属电池的商业化发展。

此次研究，弗兰德期待解决阻碍电池50多年来发展进步的两个根本问题，即充电时间长和循环寿命短。尤其是要解决较为严重的锂枝晶问题，因为枝晶的形成进一步消耗了电解液和锂负极。

在之前的研究中，有人提出对锂金属电池施加外部磁力通过磁流体动力学来抑制枝晶的持续生长，但此方法能耗高且性能受限。与此同时，在传统的化学气相沉积过程中，超声波被用来驱动电解液流动，提高离子分布的均匀性。然而，超声波设备体积庞大、低效且电化学不兼容，不适合实际应用。

相比之下，只有指甲大小的表面超声波装置能够供应优异的功率密度，产生108~1010米/秒的局部极端加速度，驱动流体流动速度高达1米/秒，常常被用于生物传感器和微流体中的粒子收集等方面。标准的紫外光刻蚀和加工过程可廉价地生产表面超声波装置，在低损耗的单晶压电锂的铌酸盐衬底上沉积交错金属电极。

为此，弗兰德开发了一种表面超声波装置，以此来克服锂金属电池中长期存在的问题。该装置通过驱使电解液在电极间隙之间充分流动，尽可能地防止枝晶的产生和电解液的耗尽。

由表面超声波装置内部产生的声波(流体)驱动的流动，显著降低了电解液中锂离子的浓度梯度，即使在快速充电的情况下，也能够实现均匀的锂沉积。此外，表面超声波装置的功耗约为10毫瓦时/平方厘米，与充电本身相比，相对较小。在锂金属电池放电过程中，枝晶不易形成。

该文设计了一种与化学物质无关的方法，以避免电解液中离子耗尽和枝晶生长。采用小型高频超声波装置能够有效驱使电解液在电极间隙内产生均匀的离子通量分布，使枝晶生长的潜在位置在超声源的特定距离内保持稳定。这种简单的技术将有助于提高电池的效率、效用和可持续性，可用于当前和未来的可充电电池中。

相关论文信息：https://doi.org/10.1002/adma.201907516