受樹木結構的啟發,美國馬里蘭大學的工程師對木頭進行改造,將其作為鋰金屬電池負極的特殊結構,以此避免某些關鍵因素導致的電池故障。

用木头来做更安全的电池

鋰離子在可充電電池中移動,為手機,筆記本,甚至是燈泡提供電能。在充滿電的情況下,負極:鋰金屬膨脹,在電量用盡的情況下,鋰金屬收縮。尺寸上的快速變化會導致預料之外的後果,比如鋰金屬表面鋰的增多。這些損壞隨著時間累積,將導致嚴重的安全隱患,如過熱或著火。對此,博士生Ying Zhang提出了一種新的設計,能提升電池的能量密度,增加電池容量,並同時降低電池過熱風險。

這種新型電池並非使用金屬塊存儲鋰離子,而是將其存儲在木材中的天然通道中,這些通道曾被植物用於運輸水和養分。

木材就像是旅館,提供了大量房間(通道),能夠容納許多住客(鋰金屬)。隨著鋰金屬“住客”進入木質旅館,旅館能容納所有住客,將他們舒服、安全地安置在每個房間內,同時維持木頭的外部結構。每個房間內容納的住客可多可少,但總體結構不會被破壞或者坍塌。

這樣做出來的電池十分安全,可進行快速的充電和放電。工程師們用電流密度對電池進行度量,即鋰金屬在表面聚集的速度,高電流密度相當於木頭旅館客流量較大,但當旅館門口堵塞時可能出現一些問題。通過簡單地增加供鋰離子通行的門的數量可以避免這個問題,這正是該研究中使用的方法。雖然同一時間鋰金屬客人通行的總量不變,但每個門經過的客人數目很少,即局部電流密度較小。通過利用木頭主人每個通道內具備的較大表面積,可降低局部電流密度,使得鋰金屬的受控移動更加容易。

在電池中使用大量鋰金屬箔片是傳統的替代方式,就像只有一個供客人進出的門,這樣的旅館並不穩定。當電池處於高電流密度的情況下,單個門不足以應對大流量的客人,因此很容易損壞,導致電池內部出現隱患。另一方面,木頭旅館的設計,由於其具備大量筆直通道,為住客提供了多個通行門戶,因此鋰電池可分別進入獨立的通道,即使在高電流密度(3mA/cm2)下也能井井有條,避免了可能導致電池故障的樹形分枝結構。

項目領導者、材料科學與工程系副教授、大學能量研究中心成員Liangbing Hu說:

    我們正在研究使用天然材料改進電池,這只是我們研究的一部分。我們從天然的生物結構中得到靈感,創造了存儲能量的新方式,現在我們也能使用可再生材料了。

該研究已被發表在3月20日的美國國家科學院論文集上,題為“大容量,低彎曲度及通道引導的鋰金屬電極。”

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