加利福尼亞大學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，但該設備可用于任何電池，而無需考慮化學成分。

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，從而導致LMB的性能下降和短路。

該設備由現(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。

“智能手機技術的進步確實使我們能夠使用超聲波來改善電池技術，”圣地亞哥加州大學雅各布斯工程學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備等所有設備供電的可行選擇。但是這些電池的容量是當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%。

雅各布斯學院納米工程學教授，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，博士學位的AnHuang說，過程中最困難的部分是設計設備。圣地亞哥加州大學材料科學系學生。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)象并找到一種將設備集成到電池中的有效方法。

該論文的合著者，雅各布斯學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集成到商用鋰離子電池中?！?/p>

該技術已由加利福尼亞州文圖拉市的技術開發(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防”和臨時文件2019-415–“液體電解質(zhì)中與化學有關的離子損耗預防和枝晶預防”。