工作原理圖

近日，美國加州大學圣地亞哥分校教授詹姆斯·弗蘭德開發(fā)了一種表面超聲波裝置，可利用超聲波驅(qū)使電解液流動，提高離子分布的均勻性，從而實現(xiàn)快速充電并提高電池的循環(huán)壽命。相關論文發(fā)表于《先進功能材料》。

從電網(wǎng)儲能、智能機器人到電動汽車，可充電電池是推動其發(fā)展的關鍵。目前最好的鋰離子電池的能量密度(240 瓦小時/千克)僅為鉛酸電池能量密度(40 瓦小時/千克)的六倍，其安全性、可充電性、比容量和循環(huán)壽命都需要繼續(xù)改進。

以金屬鋰為負極的鋰金屬電池擁有超過500 瓦小時/千克的能量密度，是當下最好的鋰離子電池的兩倍，但鋰金屬在循環(huán)過程中會有枝晶產(chǎn)生，導致一系列安全問題，這也阻礙了鋰金屬電池的商業(yè)化發(fā)展。

此次研究，弗蘭德期待解決阻礙電池50多年來發(fā)展進步的兩個根本問題，即充電時間長和循環(huán)壽命短。尤其是要解決較為嚴重的鋰枝晶問題，因為枝晶的形成進一步消耗了電解液和鋰負極。

在之前的研究中，有人提出對鋰金屬電池施加外部磁力通過磁流體動力學來抑制枝晶的連續(xù)生長，但此方法能耗高且性能受限。與此同時，在傳統(tǒng)的化學氣相沉積過程中，超聲波被用來驅(qū)動電解液流動，提高離子分布的均勻性。然而，超聲波設備體積龐大、低效且電化學不兼容，不適合實際應用。

相比之下，只有指甲大小的表面超聲波裝置能夠提供優(yōu)異的功率密度，產(chǎn)生108~1010米/秒的局部極端加速度，驅(qū)動流體流動速度高達1米/秒，常常被用于生物傳感器和微流體中的粒子收集等方面。標準的紫外光刻蝕和加工過程可廉價地生產(chǎn)表面超聲波裝置，在低損耗的單晶壓電鋰的鈮酸鹽襯底上沉積交錯金屬電極。

為此，弗蘭德開發(fā)了一種表面超聲波裝置，以此來克服鋰金屬電池中長期存在的問題。該裝置通過驅(qū)使電解液在電極間隙之間充分流動，盡可能地防止枝晶的產(chǎn)生和電解液的耗盡。

由表面超聲波裝置內(nèi)部產(chǎn)生的聲波(流體)驅(qū)動的流動，顯著降低了電解液中鋰離子的濃度梯度，即使在快速充電的情況下，也能夠?qū)崿F(xiàn)均勻的鋰沉積。此外，表面超聲波裝置的功耗約為10 毫瓦時/平方厘米，與充電本身相比，相對較小。在鋰金屬電池放電過程中，枝晶不易形成。

該文設計了一種與化學物質(zhì)無關的方法，以避免電解液中離子耗盡和枝晶生長。采用小型高頻超聲波裝置能夠有效驅(qū)使電解液在電極間隙內(nèi)產(chǎn)生均勻的離子通量分布，使枝晶生長的潛在位置在超聲源的特定距離內(nèi)保持穩(wěn)定。這種簡單的技術將有助于提高電池的效率、效用和可持續(xù)性，可用于當前和未來的可充電電池中。

相關論文信息：https://doi.org/10.1002/adma.201907516