@ 2015.10.03 , 15:00

锂电池适当烤烤能延长寿命

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肉眼观察到的无定形/分形锂枝晶。Credit: Asghar Aryanfar

不要现在就急着把你的电子设备塞进烤箱,不过为了更长的电池寿命,有一天你可能会把它们在不使用时烤一烤。随着时间推移,充电电池内的电极会长出微小的树枝状细丝,称为树突或枝晶,这会造成短路报废电池,甚至点着起火。但感谢新的实验和计算机模拟,加州理工学院(霍华德的供职大学,一定很靠谱)的研究者们详细探究了如何用较高温度来分解这些枝晶——并可能延长电池寿命。

电池由正极和负极组成,当电池产生电流时,电子从阳极流出,通过外部电路,再流回阴极。阳极(锂等导电金属构成)中的一些原子失去用来产生电流的电子后变成离子,然后通过称为电解质的导电液体介质移动到负极。

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(a) 电池的组件图 (b)肉眼观察到的锂枝晶。Credit: Asghar Aryanfar

给电池充电反转这个过程,离子返回并附着回阳极上,但当它们这样做时,离子附着并不均匀,相反,它们形成微观的凸起,多个充电周期后,最终生长成为长长的分支。当这些树突抵达并接触阴极时就造成短路,这时电流就流经树突而非通过外部电路,致使电池失效死亡。

电流也会加热树突,而且由于电解质经常是易燃物,树突可能会引发起火。即使树突不短路电池,它们也能整个从阳极上断落,在电解液中到处漂浮,这样阳极就损失了材料,而电池也就不能存储同样多的电量。

“树突很危险,还会降低充电电池容量,” 加州理工学院科学家Asghar Aryanfar说。他领导的这项新研究本周发表在美国物理联合会出版的《化学物理学报》封面上。尽管研究者们研究的是属于最有效的种类的锂电池,但他们的成果是可以广泛应用的。“枝晶问题对所有可充电电池都是普遍的,”他说。

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肉眼观察以i = 2mA cm−2, t = 24 h 生长的原位锂枝晶在浸没在 T = 78C 的油浴中 t = 48hrs 前后对比。圈出的分形区域从64%缩减到41%。Credit: Asghar Aryanfar

研究者们在测试电池上生长出锂枝晶并把它们加热几天。他们发现高至55摄氏度的温度使树突缩短了多达36%。为了弄清楚究竟是什么导致了这种缩水,研究者们使用计算机来模拟热量对构成枝晶的单个锂原子的影响,模型使用了简化的、理想化的金字塔几何形状。

模拟结果显示温度升高触发原子以两种方式移动。金字塔顶端的原子可能下落到较低高度,或者较低高度上的原子能移动并留下空穴,随后被另一个原子填补。这些原子进行洗牌运动,产生足够推倒枝晶的运动。

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Aryanfar说,通过量化需要多少能量才能改变枝晶结构,研究者们能更好地了解它的结构特征。虽然有许多因素影响电池在高温下的寿命——例如其自放电倾向或另外发生的其它化学反应——这一新研究表明复活电池所需的也许只是稍加炭烤。

更多信息:“电沉积锂枝晶的退火动力学”, Asghar Aryanfar等,DOI: 10.1063/1.4930014

本文译自 Phys via Gizmodo,由译者 王丢兜 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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