电动车电池能不能做得更小、更轻,同时一次充电跑得更远?韩国科学技术院(KAIST)的研究团队给出的思路是:把半导体制造里的精细加工手段,搬到电池电极上试试。
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他们盯上的是"无负极电池"。这类电池不再使用石墨等传统负极材料,而是让锂直接沉积在一层薄薄的铜箔上。少了这层负极材料,电池的整体重量和厚度都能降下来,同样的空间里就能装下更多能量——理论上,电动车不必背着更大更重的电池包,也能跑得更远。
但这条路一直有个坎。电池反复充放电时,锂并不总是均匀铺在铜箔表面,而是会长成树枝状或针状的锂枝晶。这些尖刺会干扰电池性能,包裹锂的保护层也可能变得不稳定,两者叠加,电池衰减得更快。寿命问题,成了无负极电池走向商用的一大障碍。
此前有人尝试补加锂来弥补损耗,或者给电极涂上更厚的保护层。这些办法能补偿衰减、遮挡表面,但都要额外增加材料,厚度和重量一涨,无负极电池最大的优势就被抵消了。
KAIST化学与生物分子工程系Jinwoo Lee和Hee-Tae Jung教授领衔的合作团队换了个思路:不加大量材料,而是改变铜箔本身的结构。他们在铜表面做出排列整齐的微米级管状图案,好比把一个大停车场划成许多独立车位,让锂有更多、更均匀的落脚点,而不是挤在少数区域堆成尖刺。
这些微小结构靠的是从半导体行业借来的二次溅射光刻(SSL)技术。每根管直径约300纳米、高约150纳米,尺寸虽小,却把铜箔可供锂沉积的表面积扩大到普通平整铜箔的约四倍。表面积大了,锂的分布更均匀,容易形成尖刺的局部堆积也就少了。
团队还多做了一步:在铜箔上涂一层二维材料MXene,厚度约10纳米,只相当于人类头发丝厚度的几千分之一。它本身不是最终的防护屏障,更像刷漆前的底漆,为运行过程中生成更结实的保护层打底。在实验使用的LiPF6基电解液中,MXene表面会促进形成一层富含氟化锂(LiF)的保护层,既限制锂与电解液之间不必要的化学反应,也抑制尖刺生长。
为了看清这层保护层怎么长出来,研究人员在严格控制空气暴露的条件下观察了电极表面和内部截面,并用X射线光电子能谱(XPS)、飞行时间二次离子质谱(ToF-SIMS)和透射电子显微镜(TEM)等手段做了分析。观察确认,纳米级保护层沿着MXene表面均匀形成。
Jinwoo Lee教授表示:"这项研究显示,半导体制造中使用的超精细加工技术,可以在不改变本体电解液配方、不额外添加过量锂的情况下,同时造出均匀的锂沉积位点和稳定的保护层。"他还解释说,这些发现可能有助于加速高能量无负极电池的商业化开发——在把额外重量和体积压到最低的同时改善寿命,为未来电动车更紧凑的储能系统提供支持。
该研究由Eunji Kim、Hyunju Jung和Jinuk Kim担任共同第一作者,成果于9月1日在线发表在国际期刊《先进功能材料》(Advanced Functional Materials)上。合作方还包括庆北国立大学和国家纳米晶圆中心。研究经费来自韩国国家研究基金会(NRF)的纳米与材料技术开发项目,由韩国科学技术信息通信部支持。
值得注意的是,这仍是一项实验室层面的技术验证:它展示了一条让无负极电池更小、更轻、更耐用的可能路径,但从电极结构到整车电池包,中间还有工程化和量产的长路要走。
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