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近日，能源研究機(jī)構(gòu) Rystad Energy 發(fā)出預(yù)警，鋰供應(yīng)不足或?qū)е码妱?dòng)汽車面臨 “電池荒”。

其報(bào)告顯示，到 2027 年，相關(guān)供應(yīng)短缺將導(dǎo)致大約 330 萬(wàn)輛電池容量為 75kWh 的電動(dòng)汽車出現(xiàn)生產(chǎn)延誤，到 2028 年將達(dá)到約 900 萬(wàn)輛，并在 2030 年飆升至 2000 萬(wàn)輛左右，此外 2030 年鋰價(jià)或?qū)j升三倍之多。因此，尋找鋰電池的替代品，迫在眉睫。


好在已經(jīng)有中國(guó)科學(xué)家，開(kāi)始為鋰電池的替代品而努力。麻省理工學(xué)院（MIT）物理系博士后鄭景旭發(fā)現(xiàn)，鋁或鋅正在成為下一代可充電電池的“種子選手”。


他表示，用鋁或鋅作為負(fù)極的電化學(xué)電池，具有成本低、安全性較高的優(yōu)點(diǎn)。但在目前，鋁電池或鋅電池，被認(rèn)為是不切實(shí)際的，因?yàn)榻饘訇?yáng)極的可逆性很差，并且所存儲(chǔ)的電荷量很小。

基于此，他對(duì)上述難題加以攻克，并于 4 月 6 日在 Nature Energy 發(fā)表了題為《利用界面金屬基板結(jié)合調(diào)節(jié)高容量鋁和鋅電池陽(yáng)極的電沉積形態(tài)》“Regulating electrodeposition morphology in high-capacity aluminium and zinc battery anodes using interfacial metal–substrate bonding” 的論文。


該研究的成果在于，先前高容量鋁合金電池中存在嚴(yán)重的枝晶生長(zhǎng)問(wèn)題，這會(huì)導(dǎo)致電池短路、容量衰減等問(wèn)題。鄭景旭和合作者，通過(guò)設(shè)計(jì)基底的幾何結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)，以及誘導(dǎo)鋁金屬負(fù)極均勻沉積，可讓鋁合金電池在高電流、高容量的循環(huán)條件下，避免枝晶生長(zhǎng)。

找到新材料，為環(huán)保電池奠定基礎(chǔ)

研究中，鄭景旭找到一種新型儲(chǔ)能材料，即使用低成本鋁材來(lái)制備 3D 陽(yáng)極，這能為長(zhǎng)循環(huán)壽命環(huán)保電池奠定良好的基礎(chǔ)。

研究中他發(fā)現(xiàn)，鋁或鋅等金屬與圖案化基底之間的牢固化學(xué)鍵，是形成致密且均勻的非平面金屬沉積層的關(guān)鍵。


他認(rèn)為，這種牢固化學(xué)鍵，不僅能降低形成電化學(xué)斷開(kāi)的金屬碎片的可能性，還能確保在電池循環(huán)中金屬陽(yáng)極中，可以連續(xù)進(jìn)入離子和電子傳輸路徑。

為驗(yàn)證上述概念，他使用鋁金屬陽(yáng)極作為模型系統(tǒng)來(lái)做反推。最終發(fā)現(xiàn)，在未檢測(cè)到界面化學(xué)鍵合的基底上，鋁會(huì)不斷形成粗糙的異質(zhì)電沉積，進(jìn)而生成鋁枝晶。

與此同時(shí)，在碳纖維基底表面上，金屬鋁會(huì)形成“鋁–氧–碳”鍵，借此形成高度均勻的沉積層，最終可讓金屬陽(yáng)極具備 99% 以上的高度可逆性、和長(zhǎng)達(dá) 3600h 的循環(huán)穩(wěn)定性。

這種金屬與圖案化基底相結(jié)合的方法，還可拓展到金屬鋅陽(yáng)極，并讓其也實(shí)現(xiàn)高可逆性。

鋁是地殼中含量非常豐富的元素，它不僅重量輕，儲(chǔ)能容量也很高。但是，由于陽(yáng)極與陰極之間的玻璃纖維隔板，會(huì)給相關(guān)化學(xué)反應(yīng)帶來(lái)阻礙，這導(dǎo)致很多實(shí)用性研究，總是卡在短路失效上。

為解決該痛點(diǎn)，鄭景旭想到了交織碳纖維制成的基材，他將前者和鋁結(jié)合起來(lái)。相比傳統(tǒng)電池的 2D 電極，這種結(jié)合可將電極升級(jí)到 3D 結(jié)構(gòu)。

由于結(jié)構(gòu)中含有可被精細(xì)控制的鋁層，因此當(dāng)電池在充電時(shí)，通過(guò)共價(jià)鍵，材料可以均勻聚集在碳結(jié)構(gòu)上。


概括來(lái)說(shuō)，該方法主要利用化學(xué)驅(qū)動(dòng)力，來(lái)促使鋁元素均勻沉積到 3D 結(jié)構(gòu)的空隙中。并且，這種新型電極具備更高的厚度，相比其他電極反應(yīng)速度也快得多。

把新電極搭載到電池上，他開(kāi)發(fā)出一款循環(huán)壽命高達(dá) 10000 次、且沒(méi)有任何失效跡象的新型可充電裝置。

研究到這里，還沒(méi)有結(jié)束。為獲得較高的電極可逆性，在剝離和金屬電鍍的重復(fù)循環(huán)中，圖案化基底的幾何性質(zhì)和化學(xué)完整性必須保持完整。

也就是說(shuō)，一款理想的基底材料，要具備導(dǎo)電性和機(jī)械堅(jiān)固性，且能形成基底與金屬之間的強(qiáng)界面結(jié)合。

基于上述認(rèn)知，鄭景旭設(shè)計(jì)出一種由交織碳纖維組成的非平面圖案化基材，在電鍍過(guò)程中，這種基材可形成多種界面共價(jià)鍵，包括“鋁-碳”、“鋁-氧-碳”等。


在使用 X 射線光電子能譜技術(shù)分析后顯示，咪唑電解質(zhì)與碳纖維的接觸，可顯著提高氧富集水平，從而在基板上形成大量富氧缺陷位點(diǎn)。而這些缺陷位點(diǎn)，進(jìn)而會(huì)加強(qiáng)金屬與碳之間的共價(jià)鍵。

總結(jié)來(lái)說(shuō)，這種氧介導(dǎo)金屬與基底的互相作用，可給金屬沉積、帶來(lái)局部熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)力，最終實(shí)現(xiàn)單根碳纖維上的金屬均勻沉積。

研究中，鄭景旭將沉積容量提升到 3 mAh cm -2 以上，并觀察到鋁進(jìn)入第二階段的生長(zhǎng)現(xiàn)象：緊湊的納米級(jí)鋁層上，長(zhǎng)出了微米級(jí)鋁晶體。此外，X 射線衍射結(jié)果證實(shí)，碳基底纖維上僅存在鋁晶體。

他還發(fā)現(xiàn)，微小的鋁沉積物可以逐漸填充碳纖維空間，并能緊密連接納米級(jí)鋁層上。這說(shuō)明，基底與金屬的結(jié)合，對(duì)于鋁的沉積形態(tài)起著決定性作用。當(dāng)致密的納米級(jí)鋁層完全占據(jù)襯底表面后，新沉積出來(lái)的鋁晶體，可恢復(fù)微米級(jí)的本征生長(zhǎng)模式。


X 射線光電子能譜技術(shù)分析結(jié)果表明，碳纖維基底表面上形成了“鋁-氧-碳”共價(jià)鍵，這種結(jié)合是由碳材料表面的氧化物質(zhì)所致。相形見(jiàn)絀的是，在不銹鋼和泡沫鎳上，根本不存在“鋁-氧-碳”鍵、或其他金屬與基底的鍵合。

據(jù)了解，該電池可維持穩(wěn)定運(yùn)行 2000 多小時(shí)。而且，在 8 mAh cm –2 的高面積容量下，可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)達(dá) 3600 小時(shí)的穩(wěn)定電鍍和剝離循環(huán)，這比此前報(bào)道的數(shù)值高出一到兩個(gè)數(shù)量級(jí)。這進(jìn)一步說(shuō)明，碳纖維上的鋁鍍層和剝離行為，具備高度可逆性。


為探索更多應(yīng)用可能性，鄭景旭還研究了鋅的電沉積，恒電流電鍍和剝離結(jié)果表明，鋅在碳纖維上具有較低的電鍍和剝離效率，動(dòng)力學(xué)表現(xiàn)也較為緩慢，這說(shuō)明只有襯底結(jié)構(gòu)，并不足以實(shí)現(xiàn)高度可逆的沉積。

為此，鄭景旭在碳纖維基底上引入石墨烯涂層，來(lái)提升金屬和基材之間的相互作用，鋅電鍍和剝離的可逆性、以及使用壽命也可借此提高。

掃描電子顯微鏡結(jié)果表明，金屬與石墨烯之間的“強(qiáng)金屬-基底”相互作用，能有效促進(jìn)納米級(jí)板狀鋅金屬的均勻沉積。

由此可見(jiàn)，只需經(jīng)過(guò)合理設(shè)計(jì)，就能實(shí)現(xiàn)強(qiáng)相互作用的“金屬-基底”界面結(jié)合，從而將“金屬-基底”鍵合擴(kuò)展到其他電沉積體系。


一言以蔽之，該工作表明，特定的“金屬-基底”界面鍵合，可對(duì)金屬電沉積形態(tài)實(shí)現(xiàn)精細(xì)控制、以及均勻致密且可逆的金屬沉積。

這項(xiàng)技術(shù)對(duì)環(huán)境非常友好，有望提高可再生能源的儲(chǔ)存。并且，在成本方面，基于鋁和碳的兩極材料也相當(dāng)?shù)土?nbsp;

原標(biāo)題：MIT博士后開(kāi)發(fā)出循環(huán)壽命高達(dá)10000次的新型可充電裝置