锂离子电池在充放电过程中,锂离子会在电池两极间来回移动,久而久之锂原子会在电极上积聚,过去科学家一直认为这些沉积的锂团块是“死物”,不过现在美国科学团队成功透过调整充电机制,成功让锂沉积物复活,不仅成功延长测试电池寿命 30%,还有机会解锁能量密度更大的下一代锂离子电池。
锂离子电池由阳极、阴极与电解质组成,锂离子会在阴阳两极间来回穿过电解质,只是在充放电过程中会容易因为电化学失活(electrochemically inactive),形成沉积锂离子块状物,导致电池容量下降,美国能源部 SLAC 国家加速器实验室和史丹佛大学科学团队对此展开一系列研究。
史丹佛大学材料科学与工程教授 Yi Cui 指出,过去我一直觉得锂沉积很糟糕,会导致电池衰退甚至是起火燃烧,但团队已经找出如何复活“死去”的锂沉积物,让它们重新与电极连接。
其实 Cui 教授原先就怀疑这些锂沉积物并非“死物”,电流经过时沉积物还会在阴阳两极间移动,为了证实这一点,团队也建立光学测试电池(optical test battery)并在充电时观察锂沉积物动向,最终也发现,沉积物就像个移动缓慢的毛毛虫,慢慢蠕动到电极另一端。
Cui 指出,沉积物有如一条缓慢移动的蠕虫,身体向前一英寸、尾端就往内拉,以奈米级速度移动。但之所以看起来像蠕虫,也是因为沉积物“移动”方式特殊,首先沉积物前端会先溶解、再沉积到另一端,因此就好像缓慢往前挪动一样,而沉积物最终会抵达对面的阳极并重新建立电连接。
团队则认为,由于锂沉积物在高电流下移动速度更快,因此可以透过调整充电过程来回收锂沉积物。史丹佛大学化学助理教授 Fang Liu 指出,团队在电池充电后添加一组快速、高电流的放电步骤,可以加快沉积物移动速度,让它们迅速与阳极会合。
团队声称,这一突破顺利延长测试电池寿命 30%。未来还可以借由该技术改进快充电池设计,或进一步提高电池容量和寿命,进而增加电动车的续航里程或延长电子设备的电池寿命。
- Charging tweak revives lost lithium to boost battery capacity & lifespan
(首图来源:Flickr/massmatt CC BY 2.0)