老树新叶聊科技|通往持久锂电池的途径朱莉娅·格里尔的新研究证明了锂在纳米

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朱莉娅·格里尔的新研究证明了锂在纳米尺度上的非凡强度，在纳米尺度上，生长的“树突”会短路或损坏电池。
几乎每个人都忍受了手机没电的挫折，尽管电动汽车越来越受欢迎，在电池没电之前，它们仍然受到行驶距离的限制。事实上，电池的能量密度-它们以给定的质量或体积包装多少能量-一直是消费电子产品，电动汽车和可再生能源的主要挑战。
加州理工学院的新进展可能会大大有助于改善现状。朱莉娅·R实验室的研究人员。格里尔有了一个发现，可能会导致锂离子电池既安全又强大。他们的发现为如何锂-离子电池，可充电电池中最常见的一种，可以安全地容纳高达50%的能量。
传统的锂离子电池使用石墨来构成阳极，阳极是电流进入电池单元的电极。 30年来，石墨一直是这项任务的首选材料，因为它重量轻、稳定、价格合理，能够承受无数电池循环的严酷考验。但加州理工学院的RubenF.Greer说，这项工作有更好的材料。
“每一个需要电力的应用都将受益于锂电池而不是石墨阳极的电池，因为它们可以提供更多的电力， ”她说。 “锂重量轻，不占用太多空间，而且能量密度极大。 "
【老树新叶聊科技|通往持久锂电池的途径】但问题是金属锂:当电池经过许多充放电循环时，锂自然形成树突，晶体产生一种分支树状结构。在电池充电期间，树突在锂金属电池中不受控制地生长，并且可以像微小的电线一样短路并在电池穿透系统时杀死电池。
研究人员长期以来一直在寻找新的方法来防止这种增长，格里尔说。一种可能的方法是将某些东西物理地压在锂金属上以抑制树突。而典型的锂离子电池有一个液体电解质-将两个电池电极分开并通过锂离子移动的物质-使用固体电解质的电池理论上可以施加足够的机械压力来抑制树突。
然而，在对含有固体电解质的电池的研究中，树突仍然在生长。
格里尔怀疑固体电解质的强度不足以抵抗。枝晶增长是因为研究人员低估了树突的强度，其尺寸在纳米尺度;他们降低了它，因为宏观锂是一种相对较软的金属，可以与铅和锡相比。她说，金属在小范围内可能比在更大范围内强100倍。
“如果你想到珠宝，比如黄金或铜，它很有延展性。你可以用自己的手轻松变形它， “格里尔说，他专门研究纳米材料的机械性能。 “但是当你降低相同金属的尺寸时，你的强度会增加一个数量级以上。 "
2015年，格里尔和她的同事雕刻了锂的微小支柱，并测试了它们的弹性，发现它们至少比人们认为的要强大一个数量级。格里尔说，这个实验装置并没有完全反映锂树突在真正电池中的行为方式。为了更准确地模仿这一点，她和她的合作者，包括格里尔实验室校友迈克尔·希特林和博士后学者杨恒，以及来自前沿技术的西蒙·尼赫，制造了一种电池，旨在生长与电池中形成的锂树突非常相似的纯锂树突。研究人员发现，这些树突比散装锂强24倍。
有了这些信息，研究人员现在对锂阳极电池工作需要什么有了更好的了解。格里尔说，这是一个重大的研究挑战，因为通常用于固体电解质的聚合物和陶瓷材料都有缺点。大多数聚合物太软，无法承受枝晶生长，而陶瓷在枝晶施加的压力下容易开裂。
有了这些新发现，科学家们有了一个起点。 “这与电池随着研究的进行，基础研究与技术进步有多大关系的真实表现， ”她说。
该研究发表在该杂志的一篇论文中。公告夫人,标题为“从离子到原子再到枝晶:电沉积锂的形成和纳米机械行为。 "