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。
圖 | 相關(guān)報(bào)告(來(lái)源:Rystad Energy)
好在已經(jīng)有中國(guó)科學(xué)家,開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”。
圖 | 鄭景旭(來(lái)源:受訪者)
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。
圖 | 本次論文(來(lái)源:受訪者)
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。
圖 | 鋁陽(yáng)極在傳統(tǒng)基質(zhì)上表現(xiàn)出異質(zhì)生長(zhǎng)的傾向(來(lái)源:受訪者)
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。
(來(lái)源:受訪者)
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。
圖 | 超高電流密度鍍鋁剝離(來(lái)源:受訪者)
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。
圖 | 具有牢固的金屬 - 基底結(jié)合力的基底上鋁金屬沉積物的微觀結(jié)構(gòu)(來(lái)源:受訪者)
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。
圖 | 具有金屬 - 基底鍵合的鋁陽(yáng)極的電化學(xué)性能(來(lái)源:受訪者)
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,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。
圖 | 金屬 - 基底界面鍵合策略拓展到鋅陽(yáng)極的電鋅 / 剝離(來(lái)源:受訪者)
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博士后開發(fā)出循環(huán)壽命高達(dá)10000次的新型可充電裝置