MIT博士後開發出循環壽命高達10000次的新型可充電裝置

近日,能源研究機構 Rystad Energy 發出預警,鋰供應不足或導致電動汽車面臨 「電池荒」。

其報告顯示,到 2027 年,相關供應短缺將導致大約 330 萬輛電池容量為 75kWh 的電動汽車出現生產延誤,到 2028 年將達到約 900 萬輛,並在 2030 年飆升至 2000 萬輛左右,此外 2030 年鋰價或將飆升三倍之多。因此,尋找鋰電池的替代品,迫在眉睫。

MIT博士後開發出循環壽命高達10000次的新型可充電裝置

圖 | 相關報告(來源:Rystad Energy)

好在已經有中國科學家,開始為鋰電池的替代品而努力。麻省理工學院(MIT)物理系博士後鄭景旭發現,鋁或鋅正在成為下一代可充電電池的「種子選手」。

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圖 | 鄭景旭(來源:受訪者)

他表示,用鋁或鋅作為負極的電化學電池,具有成本低、安全性較高的優點。但在目前,鋁電池或鋅電池,被認為是不切實際的,因為金屬陽極的可逆性很差,並且所存儲的電荷量很小。

基於此,他對上述難題加以攻克,並於 4 月 6 日在 Nature Energy 發表了題為《利用介面金屬基板結合調節高容量鋁和鋅電池陽極的電沉積形態》「Regulating electrodeposition morphology in high-capacity aluminium and zinc battery anodes using
interfacial metal–substrate bonding」 的論文。

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圖 | 本次論文(來源:受訪者)

該研究的成果在於,先前高容量鋁合金電池中存在嚴重的枝晶生長問題,這會導致電池短路、容量衰減等問題。鄭景旭和合作者,通過設計基底的幾何結構和表面化學,以及誘導鋁金屬負極均勻沉積,可讓鋁合金電池在高電流、高容量的循環條件下,避免枝晶生長。

找到新材料,為環保電池奠定基礎

研究中,鄭景旭找到一種新型儲能材料,即使用低成本鋁材來製備 3D 陽極,這能為長循環壽命環保電池奠定良好的基礎。

研究中他發現,鋁或鋅等金屬與圖案化基底之間的牢固化學鍵,是形成緻密且均勻的非平面金屬沉積層的關鍵。

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圖 | 鋁陽極在傳統基質上表現出異質生長的傾向(來源:受訪者)

他認為,這種牢固化學鍵,不僅能降低形成電化學斷開的金屬碎片的可能性,還能確保在電池循環中金屬陽極中,可以連續進入離子和電子傳輸路徑。

為驗證上述概念,他使用鋁金屬陽極作為模型系統來做反推。最終發現,在未檢測到介面化學鍵合的基底上,鋁會不斷形成粗糙的異質電沉積,進而生成鋁枝晶。

與此同時,在碳纖維基底表面上,金屬鋁會形成「鋁–氧–碳」鍵,藉此形成高度均勻的沉積層,最終可讓金屬陽極具備 99% 以上的高度可逆性、和長達 3600h 的循環穩定性。

這種金屬與圖案化基底相結合的方法,還可拓展到金屬鋅陽極,並讓其也實現高可逆性。

鋁是地殼中含量非常豐富的元素,它不僅重量輕,儲能容量也很高。但是,由於陽極與陰極之間的玻璃纖維隔板,會給相關化學反應帶來阻礙,這導致很多實用性研究,總是卡在短路失效上。

為解決該痛點,鄭景旭想到了交織碳纖維製成的基材,他將前者和鋁結合起來。相比傳統電池的 2D 電極,這種結合可將電極升級到 3D 結構。

由於結構中含有可被精細控制的鋁層,因此當電池在充電時,通過共價鍵,材料可以均勻聚集在碳結構上。

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(來源:受訪者)

概括來說,該方法主要利用化學驅動力,來促使鋁元素均勻沉積到 3D 結構的空隙中。並且,這種新型電極具備更高的厚度,相比其他電極反應速度也快得多。

把新電極搭載到電池上,他開發出一款循環壽命高達 10000 次、且沒有任何失效跡象的新型可充電裝置。

研究到這里,還沒有結束。為獲得較高的電極可逆性,在剝離和金屬電鍍的重複循環中,圖案化基底的幾何性質和化學完整性必須保持完整。

也就是說,一款理想的基底材料,要具備導電性和機械堅固性,且能形成基底與金屬之間的強介面結合。

基於上述認知,鄭景旭設計出一種由交織碳纖維組成的非平面圖案化基材,在電鍍過程中,這種基材可形成多種介面共價鍵,包括「鋁-碳」、「鋁-氧-碳」等。

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圖 | 超高電流密度鍍鋁剝離(來源:受訪者)

在使用 X 射線光電子能譜技術分析後顯示,咪唑電解質與碳纖維的接觸,可顯著提高氧富集水平,從而在基板上形成大量富氧缺陷位點。而這些缺陷位點,進而會加強金屬與碳之間的共價鍵。

總結來說,這種氧介導金屬與基底的互相作用,可給金屬沉積、帶來局部熱力學驅動力,最終實現單根碳纖維上的金屬均勻沉積。

研究中,鄭景旭將沉積容量提升到 3 mAh cm -2 以上,並觀察到鋁進入第二階段的生長現象:緊湊的納米級鋁層上,長出了微米級鋁晶體。此外,X 射線衍射結果證實,碳基底纖維上僅存在鋁晶體。

他還發現,微小的鋁沉積物可以逐漸填充碳纖維空間,並能緊密連接納米級鋁層上。這說明,基底與金屬的結合,對於鋁的沉積形態起著決定性作用。當緻密的納米級鋁層完全占據襯底表面後,新沉積出來的鋁晶體,可恢復微米級的本徵生長模式。

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圖 | 具有牢固的金屬 – 基底結合力的基底上鋁金屬沉積物的微觀結構(來源:受訪者)

X 射線光電子能譜技術分析結果表明,碳纖維基底表面上形成了「鋁-氧-碳」共價鍵,這種結合是由碳材料表面的氧化物質所致。相形見絀的是,在不鏽鋼和泡沫鎳上,根本不存在「鋁-氧-碳」鍵、或其他金屬與基底的鍵合。

據了解,該電池可維持穩定運行 2000 多小時。而且,在 8 mAh cm –2 的高面積容量下,可實現長達 3600 小時的穩定電鍍和剝離循環,這比此前報導的數值高出一到兩個數量級。這進一步說明,碳纖維上的鋁鍍層和剝離行為,具備高度可逆性。

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圖 | 具有金屬 – 基底鍵合的鋁陽極的電化學性能(來源:受訪者)

為探索更多應用可能性,鄭景旭還研究了鋅的電沉積,恆電流電鍍和剝離結果表明,鋅在碳纖維上具有較低的電鍍和剝離效率,動力學表現也較為緩慢,這說明只有襯底結構,並不足以實現高度可逆的沉積。

為此,鄭景旭在碳纖維基底上引入石墨烯塗層,來提升金屬和基材之間的相互作用,鋅電鍍和剝離的可逆性、以及使用壽命也可藉此提高。

掃描電子顯微鏡結果表明,金屬與石墨烯之間的「強金屬-基底」相互作用,能有效促進納米級板狀鋅金屬的均勻沉積。

由此可見,只需經過合理設計,就能實現強相互作用的「金屬-基底」介面結合,從而將「金屬-基底」鍵合擴展到其他電沉積體系。

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圖 | 金屬 – 基底介面鍵合策略拓展到鋅陽極的電鋅 / 剝離(來源:受訪者)

一言以蔽之,該工作表明,特定的「金屬-基底」介面鍵合,可對金屬電沉積形態實現精細控制、以及均勻緻密且可逆的金屬沉積。

這項技術對環境非常友好,有望提高可再生能源的儲存。並且,在成本方面,基於鋁和碳的兩極材料也相當低廉。

來源:kknewsMIT博士後開發出循環壽命高達10000次的新型可充電裝置