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新的数学模型为下一代电池挑战提供了潜在的解决方案
2022年06月21日    阅读量:463    新闻来源:中国机械网 okmao.com  |  投稿

斯坦福大学研究人员的一项新研究为制造更好、更安全的锂金属电池铺平了道路。

锂金属电池是广泛应用于便携式电子产品和电动汽车的可充电锂离子电池的近亲,是下一代储能设备的巨大希望。与锂离子设备相比,锂金属电池具有更高的能量、更快的充电速度和更轻的重量。

然而,迄今为止,可充电锂金属电池的商业用途受到限制。主要原因是“树枝晶”的形成鈥攖hin是一种树枝状金属结构,随着锂金属在电池内部电极上的积累而生长。这些树枝晶会降低电池性能,最终导致故障,在某些情况下,甚至可能引发火灾。

这项新的研究从理论角度探讨了这一枝晶问题。正如发表在《电化学学会杂志》上的论文所述,斯坦福大学的研究人员开发了一个数学模型,将树枝晶形成过程中涉及的物理和化学结合在一起。

该模型提供了在新电解质中交换的见解鈥攖锂离子在电池内两个电极之间移动的介质鈥攚由于某些性质,可能会减缓甚至完全停止枝晶生长。

“我们的研究目的是帮助指导寿命更长的锂金属电池的设计,”该研究的主要作者、能源工程博士生李伟宇(WeiyuLi)说,他是丹尼尔·塔塔塔科夫斯基(DanielTartakovsky)和哈迪·切莱皮(Hamdi Tchelepi)教授的联合顾问。“我们的数学框架以适当的规模解释了锂金属电池的关键化学和物理过程。”

斯坦福大学地球、能源与环境科学学院(Stanford Earth)能源工程教授切莱皮(Tchelepi)表示:“这项研究提供了树突形成条件的一些具体细节,以及抑制树突生长的可能途径。”。

设计方向

长期以来,实验人员一直致力于理解导致枝晶形成的因素,但实验室工作是劳动密集型的,结果证明很难解释。认识到这一挑战,研究人员开发了电池内部电场和锂离子通过电解质材料传输的数学表示,以及其他相关机制。

有了手头的研究结果,实验者可以专注于物理上合理的材料和建筑组合。Tchelepi说:“我们希望其他研究人员能够利用我们研究的指导,设计出具有正确特性的设备,减少试验和错误的范围,减少他们必须在实验室进行的实验变化。”。

具体而言,该研究所呼吁的电解质设计新策略包括追求各向异性材料,这意味着它们在不同方向上表现出不同的特性。各向异性材料的一个典型示例是木材,木材在纹理方向上比纹理方向更强,可以看到木材中的线条。在各向异性电解质的情况下,这些材料可以微调离子传输和界面化学之间复杂的相互作用,阻止树枝晶的形成。研究人员建议,一些液晶和凝胶显示出这些期望的特性。

该研究确定的另一种方法是电池分离器鈥攎防止电池两端电极接触和短路的膜。可以设计出新型的分离器,其特点是孔隙可以使锂离子以各向异性的方式在电解液中来回通过。

建造和测试

该团队期待着看到其他科学研究人员跟进他们研究中确定的“线索”。接下来的步骤将涉及制造依赖于实验性新电解液配方和电池结构的真实设备,然后测试可能证明有效、可扩展和经济的设备。

斯坦福大学能源工程教授塔塔·科夫斯基(Tartakovsky)表示:“大量研究涉及复杂电池系统的材料设计和实验验证,一般来说,像魏宇(Weiyu)这样的数学框架在这项工作中基本上是缺失的。”。

根据这些最新结果,塔塔科夫斯基及其同事正在构建一个成熟的虚拟表示鈥攌被称为“数字化身”鈥攐f锂金属电池系统,或DABS。

塔塔科夫斯基说:“这项研究是DABS的关键组成部分,DABS是我们实验室正在开发的一种全面的‘数字化身’或锂金属电池的复制品。”。“有了DABS,我们将继续推进这些有前途的储能设备的最新技术。”

标签:行业资讯产品资讯新能源汽车 配件与设备 工业设备
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