加利福尼亞大學(xué)圣地亞哥分校的研究人員開發(fā)了一種超聲波發(fā)射裝置，該裝置將鋰金屬電池或LMB推向了商業(yè)可行性一步。盡管研究團隊專注于LMB，但該設(shè)備可用于任何電池，而無需考慮化學(xué)成分。

研究人員開發(fā)的裝置是電池的組成部分，并通過發(fā)射超聲波在陽極和陰極之間的電解液中產(chǎn)生循環(huán)電流而工作。這樣可以防止在充電過程中形成鋰金屬(稱為枝晶)的生長，從而導(dǎo)致LMB的性能下降和短路。

該設(shè)備由現(xiàn)成的智能手機組件制成，這些組件會產(chǎn)生極高的聲波-從1億赫茲到100億赫茲不等。在電話中，這些設(shè)備主要用于過濾無線蜂窩信號以及識別和過濾語音呼叫和數(shù)據(jù)。研究人員改用它們在電池電解液中產(chǎn)生電流。

“智能手機技術(shù)的進步確實使我們能夠使用超聲波來改善電池技術(shù)，”圣地亞哥加州大學(xué)雅各布斯工程學(xué)院的機械和特種航天工程教授，該研究的通訊作者詹姆斯·弗蘭德說。

當(dāng)前，由于LMB的使用壽命太短，因此尚未被認為是為電動汽車和電子設(shè)備等所有設(shè)備供電的可行選擇。但是這些電池的容量是當(dāng)今最好的鋰離子電池的兩倍。例如，對于相同的電池重量，以鋰金屬為動力的電動汽車的行駛距離是鋰離子動力汽車的兩倍。

研究人員表明，配備該裝置的鋰金屬電池可以充電和放電250次，鋰離子電池可以充電2000次以上。在每個循環(huán)中，電池在10分鐘內(nèi)從零充電到100%。

雅各布斯學(xué)院納米工程學(xué)教授，該論文的另一位資深作者劉平說：“這項工作使快速充電和高能電池成為一體?！薄斑@是令人興奮和有效的?！?/p>

該團隊在《先進材料》雜志上詳細介紹了他們的工作。

劉說，大多數(shù)電池研究工作都集中在尋找完美的化學(xué)物質(zhì)上，以開發(fā)壽命更長，充電更快的電池。相比之下，加州大學(xué)圣地亞哥分校的研究小組試圖解決一個基本問題：在傳統(tǒng)的金屬電池中，正極和負極之間的電解液是靜態(tài)的。結(jié)果，當(dāng)電池充電時，電解質(zhì)中的鋰離子被耗盡，使得鋰更有可能不均勻地沉積在陽極上。反過來，這會導(dǎo)致形成稱為樹突的針狀結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可能會不受約束地從陽極向陰極生長，從而導(dǎo)致電池短路甚至著火。快速充電可加快這種現(xiàn)象的發(fā)生。

通過使超聲波在電池中傳播，該設(shè)備使電解液流動，補充電解液中的鋰，并使鋰在充電過程中更有可能在陽極上形成均勻，致密的沉積物。

該論文的第一作者，博士學(xué)位的AnHuang說，過程中最困難的部分是設(shè)計設(shè)備。圣地亞哥加州大學(xué)材料科學(xué)系學(xué)生。挑戰(zhàn)在于以極小的規(guī)模進行工作，了解所涉及的物理現(xiàn)象并找到一種將設(shè)備集成到電池中的有效方法。

該論文的合著者，雅各布斯學(xué)院的納米工程博士后研究員劉浩東說：“我們的下一步將是將該技術(shù)集成到商用鋰離子電池中?！?/p>

該技術(shù)已由加利福尼亞州文圖拉市的技術(shù)開發(fā)公司MatterLabs從UCSanDiego獲得許可。該許可不是唯一的。

這項工作是由美國能源部和圣地亞哥加州大學(xué)的“加速創(chuàng)新到市場”團隊資助的。它受專利保護：US#16/331,741-“可充電電池的基于聲波的枝晶預(yù)防”和臨時文件2019-415–“液體電解質(zhì)中與化學(xué)有關(guān)的離子損耗預(yù)防和枝晶預(yù)防”。