從電網(wǎng)儲能、智能機(jī)器人到電動汽車，可充電電池是推動其發(fā)展的關(guān)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(jìn)。
以金屬鋰為負(fù)極的鋰金屬電池?fù)碛谐^500 瓦小時/千克的能量密度，是當(dāng)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(dǎo)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(jìn)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(yán)重的鋰枝晶問題，因為枝晶的形成進(jìn)一步消耗了電解液和鋰負(fù)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(xué)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(xué)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(shè)備體積龐大、低效且電化學(xué)不兼容，不適合實際應(yīng)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(dá)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(biāo)準(zhǔn)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(shè)計了一種與化學(xué)物質(zhì)無關(guān)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(shù)將有助于提高電池的效率、效用和可持續(xù)性，可用于當(dāng)前和未來的可充電電池中。
