科学家研发新型超声波发射装置 可提高锂离子电池性能和充电速度

加利福尼亚大学圣地亚哥分校的研究人员开发了一种超声波发射装置，该装置将锂金属电池或LMB推向了商业可行性一步。尽管研究团队专注于LMB，但该设备可用于任何电池，而无需考虑化学成分。

研究人员开发的装置是电池的组成部分，并通过发射超声波在阳极和阴极之间的电解液中产生循环电流而工作。这样可以防止在充电过程中形成锂金属(称为枝晶)的生长，从而导致LMB的性能下降和短路。

该设备由现成的智能手机组件制成，这些组件会产生极高的声波-从1亿赫兹到100亿赫兹不等。在电话中，这些设备主要用于过滤无线蜂窝信号以及识别和过滤语音呼叫和数据。研究人员改用它们在电池电解液中产生电流。

“智能手机技术的进步确实使我们能够使用超声波来改善电池技术，”圣地亚哥加州大学雅各布斯工程学院的机械和特种航天工程教授，该研究的通讯作者詹姆斯·弗兰德说。

当前，由于LMB的使用寿命太短，因此尚未被认为是为电动汽车和电子设备等所有设备供电的可行选择。但是这些电池的容量是当今最好的锂离子电池的两倍。例如，对于相同的电池重量，以锂金属为动力的电动汽车的行驶距离是锂离子动力汽车的两倍。

研究人员表明，配备该装置的锂金属电池可以充电和放电250次，锂离子电池可以充电2000次以上。在每个循环中，电池在10分钟内从零充电到100%。

雅各布斯学院纳米工程学教授，该论文的另一位资深作者刘平说：“这项工作使快速充电和高能电池成为一体。”“这是令人兴奋和有效的。”

该团队在《先进材料》杂志上详细介绍了他们的工作。

刘说，大多数电池研究工作都集中在寻找完美的化学物质上，以开发寿命更长，充电更快的电池。相比之下，加州大学圣地亚哥分校的研究小组试图解决一个基本问题：在传统的金属电池中，正极和负极之间的电解液是静态的。结果，当电池充电时，电解质中的锂离子被耗尽，使得锂更有可能不均匀地沉积在阳极上。反过来，这会导致形成称为树突的针状结构，该结构可能会不受约束地从阳极向阴极生长，从而导致电池短路甚至着火。快速充电可加快这种现象的发生。

通过使超声波在电池中传播，该设备使电解液流动，补充电解液中的锂，并使锂在充电过程中更有可能在阳极上形成均匀，致密的沉积物。

该论文的第一作者，博士学位的AnHuang说，过程中最困难的部分是设计设备。圣地亚哥加州大学材料科学系学生。挑战在于以极小的规模进行工作，了解所涉及的物理现象并找到一种将设备集成到电池中的有效方法。

该论文的合著者，雅各布斯学院的纳米工程博士后研究员刘浩东说：“我们的下一步将是将该技术集成到商用锂离子电池中。”

该技术已由加利福尼亚州文图拉市的技术开发公司MatterLabs从UCSanDiego获得许可。该许可不是唯一的。

这项工作是由美国能源部和圣地亚哥加州大学的“加速创新到市场”团队资助的。它受专利保护：US#16/331,741-“可充电电池的基于声波的枝晶预防”和临时文件2019-415–“液体电解质中与化学有关的离子损耗预防和枝晶预防”。