工程师_宾大工程师设计可反复充电电极 缓解锂资源压力

(图源: Penn官方网站)

盖世太保汽车的可充电锂离子电池是革命性的技术，从手机到汽车被广泛应用。 但是，锂离子电池无法无限充电，每次充放电循环，电池中的材料都会膨胀破裂，储能性能逐渐下降，失效。 因此，对新鲜锂、钴和其他必要元素的需求不断增加，给自然资源带来了压力。

据外界媒体报道，宾夕法尼亚大学的工程师们希望使用锂以外的金属离子，设计能够反复充电的电极，提高电池的生产效率。 镁离子电池被认为是有前途的替代品，但能够可逆贮藏镁的材料容易产生龟裂和其他问题。

该校的研究人员找到了在镁离子电池的负极中加入熔点比室温稍高的金属镓的解决办法。 每个充放电循环，这些负极都会发生熔融固化现象，使裂纹“愈合”，避免膨胀，提高可充电电池的储存能力。 这项研究由宾夕法尼亚理工大学的材料科学和工程系教授埃里克·德西、研究室的研究生林王和Samuel Welborn的指导者进行。 实验表明，新型镓基负极能显着延长镁离子电池的寿命，而且不需要昂贵的纳米材料。 这些特性使镁离子电池非常适合大规模的应用，减轻了锂资源的压力。

Wang说:“离子的结合和释放会改变很多电极材料的体积。 固体-固体相变引起的应力的蓄积会破坏电池，使其分解”，在室温下，纯镓是延展性的银色金属，容易被误认为是铝或镍。 该材料的熔点为85度，掌握在手中，体温能够使固体镓变成水银这样的液体。 Welborn说:“在我们的新研究中，材料不是从一个固体变成另一个固体，而是从原来的固体变成液体。 由于不存在固体-固体相变应力，可以抑制开裂”

该研究最初镓以固体形式与镁构成合金，形成微米级的粒子. “为了电子连接这些小粒子，”Wang说，“放入由碳纤维、炭黑、石墨烯构成的导电性网格中，用粘接剂粘接这些材料”。 镁离子和镓分离后，电池在比镓的熔点稍高的温度下工作，因此镓会变成液体。 Welborn说:“因为被其他材料的网格包裹着，镓从固体变成液体时，不会像普通的液体那样流动。”

研究人员用x射线检查电池内部材料的晶体结构。 他们发现，电池充电后，离子回到负极，形成固体的镓镁粒子。 重要的是，在各个循环过程中，这些粒子会再生，因此不会产生裂纹，电池性能会下降。 研究人员开发的实验电池能承受超过1000次的充电循环，是目前最先进的镁离子电池的约5倍。

Detsi表示:“很明显，电池替代技术是必要的。 这不是为了替代锂，而是为了支撑锂资源。 在这项研究中，电池显示的数千次循环表现出很大的进步。 我们的梦想是利用这种独特的自我治愈行为，设计能够无限充放电的电池。”