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西工大謝科予Nature子刊:超重力下非水系鋰金屬電池的性能研究!

西工大謝科予Nature子刊:超重力下非水系鋰金屬電池的性能研究!
外星探測(cè)需要能夠在與地球不同的重力條件下工作的電化學(xué)儲(chǔ)能裝置。在這種背景下,鋰(Li)電池還沒有得到充分的研究,特別是在超重力(即重力>9.8 m s-2)條件下的電池構(gòu)成和循環(huán)性能。
西工大謝科予Nature子刊:超重力下非水系鋰金屬電池的性能研究!
在此,西北工業(yè)大學(xué)謝科予教授等人創(chuàng)造性地考慮了鋰金屬電池運(yùn)行中的重力因素,并揭示了鋰金屬相應(yīng)的電極行為(沉積形態(tài)、界面性質(zhì)和性能)。與正常重力不同,鋰金屬電極在超重力下表現(xiàn)出一些新的電極行為。具體而言,形貌分析表明,超重力不僅可以抑制鋰枝晶的生長(zhǎng),還可以細(xì)化鋰顆粒。
在銅基底上沉積鋰金屬時(shí),可以獲得光滑致密的鋰金屬沉積層。此外,理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,超重力增強(qiáng)了Li+與陰離子之間的締合,最終能夠形成陰離子衍生的富含無機(jī)物的 SEI。這種 SEI 在循環(huán)過程中保持機(jī)械穩(wěn)定性并有效地鈍化鋰表面,從而實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期循環(huán)穩(wěn)定性。

西工大謝科予Nature子刊:超重力下非水系鋰金屬電池的性能研究!

圖1. 不同重力條件下SEI的形成機(jī)制
受益于良好的形貌和SEI,在實(shí)際應(yīng)用評(píng)估中,高能Li | |NCM811軟包電池(2.5 Ah,325 Wh kg-1)在超重力下的循環(huán)穩(wěn)定性優(yōu)于正常重力下的循環(huán)穩(wěn)定性。即使在50G(50倍重力)條件下以2 C(400 mA g-1)倍率穩(wěn)定運(yùn)行200個(gè)循環(huán),容量仍保持 96%,而在1G(正常重力)條件下循環(huán)140次后容量保持率僅為 84%。
這項(xiàng)工作揭開了電池運(yùn)行中考慮重力的盲點(diǎn),提供了關(guān)于超重力對(duì)電池性能影響的基本見解并拓寬了電池的運(yùn)行環(huán)境。同時(shí),微重力對(duì)鋰離子電池的影響比較明確,但對(duì)于鋰金屬電池來說仍然是一個(gè)謎,由于鋰金屬電極獨(dú)特的電鍍和剝離機(jī)制,需要進(jìn)一步探索其機(jī)制。

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圖2. 不同重力條件下高能Li | |NCM811軟包電池的性能對(duì)比
Effect of the supergravity on the formation and cycle life of non-aqueous lithium metal batteries, Nature Communications 2022. DOI: 10.1038/s41467-021-27429-8

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