新型汽车电池技术：用磁力控制锂实现安全无爆炸的“梦幻电池”

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据Tech Xplore报道，一种新型电池技术已经研发成功，它能提供更高的能量存储——足以缓解电动汽车的续航里程问题——同时降低热失控和爆炸的风险。

浦项科技大学（POSTECH）的一个研究团队开发了一种新一代混合阳极，利用外部磁场来调节锂离子传输，有效抑制高能量密度电极中的枝晶生长。

由化学工程系和电池工程研究生院的Won Bae Kim教授、Song Kyu Kang博士和综合博士生Minho Kim领导的POSTECH研究小组介绍了一种“磁转换”策略，该策略将外部磁场应用于铁磁性锰铁氧体转换型阳极。

该研究已发表在《能源与环境科学》（Energy & Environmental Science）杂志上。

电池安全性和容量方面的挑战

随着电动汽车和大规模储能市场的快速扩张，电池行业面临着一个紧迫的挑战：开发出既能储存更多能量又能保持安全的电池。

锂金属负极具有极高的理论容量，但在反复充放电过程中容易形成尖锐的针状枝晶，这些枝晶会刺穿隔膜，导致内部短路，甚至引发火灾或爆炸。与此同时，目前广泛使用的传统石墨负极存在固有的容量限制，因此，开发新一代负极技术至关重要。

原位X射线显微镜和计算建模揭示了锂沉积的实时动态行为。图片来源

磁转换策略的工作原理

这个想法很简单：“如果磁铁可以使铁屑排列整齐，为什么不利用它来组织锂离子的流动呢？”

当锂离子嵌入锰铁氧体阳极时，会产生铁磁性金属纳米颗粒。在外加磁场的作用下，这些纳米颗粒像微型磁铁一样在电极内部排列。这种排列使锂离子更均匀地分布在电极表面，防止它们聚集在特定区域。

在此过程中，洛伦兹力（Lorentz force 磁场中带电粒子所受的力）进一步分散锂离子，促进其均匀传输。因此，阳极不会形成有害的枝晶，而是形成光滑、致密且均匀的锂金属沉积层。

此外，阳极采用混合系统运行，既将锂储存在氧化物基质中，又将金属锂沉积在表面。

这种双重机制使得电池的储能容量比商用石墨负极高出约四倍，同时保持了稳定的充放电循环，且未观察到枝晶的形成。值得注意的是，该电池在超过300次循环中库仑效率（Coulombic efficiency）均保持在99%以上，展现出优异的长期稳定性。

对下一代电池的影响

领导这项研究的Won Bae Kim教授表示：“这种方法同时解决了锂金属负极的两大挑战——不稳定性以及枝晶形成。它代表了一条通往更安全、更可靠的锂金属电池的新途径。我们期望这项技术能够为提高下一代电池的容量、循环寿命和充电速度奠定基础。”