“迷你”超声波装置实现电池快充

最近，加州大学圣地亚哥分校的教授詹姆斯·弗兰德斯(James Flanders)开发了一种表面超声波装置，它可以利用超声波驱动电解液流动，改善离子分布的均匀性，从而实现快速充电，延长电池的循环寿命。相关论文发表在《高级功能材料》上。

从电网储能、智能机器人到电动汽车，充电电池是它们发展的关键。目前，最好的锂离子电池(240瓦时/千克)的能量密度仅为铅酸电池(40瓦时/千克)的6倍，其安全性、可充电性、比容量和循环寿命有待进一步提高。

以金属锂为负极的锂金属电池的能量密度超过500瓦时/千克，是目前最好的锂离子电池的两倍。然而，锂金属在循环过程中会产生枝晶，导致一系列安全问题，这也阻碍了锂金属电池的商业化发展。

在这项研究中，佛兰德斯希望解决阻碍电池发展和进步50多年的两个基本问题，即长充电时间和短循环寿命。特别是，更严重的锂枝晶问题应该得到解决，因为枝晶的形成进一步消耗电解质和锂阴极。

在以往的研究中，有人提出通过磁流体力学对锂金属电池施加外部磁力来抑制枝晶的持续生长，但这种方法能耗高，性能有限。同时，在传统的化学气相沉积工艺中，利用超声波驱动电解液流动，提高了离子分布的均匀性。然而，超声波设备体积大、效率低且电化学不兼容，不适合实际应用。

相比之下，指甲大小的表面超声设备可以提供优异的功率密度，产生108~1010 m/s的局部极端加速度，驱动流体流速高达1 m/s，并且经常用于生物传感器和微流体中的粒子收集。标准的紫外蚀刻和处理可以廉价地生产表面超声器件，并且在低损耗单晶压电锂的铌酸盐衬底上沉积交错的金属电极。

为此，佛兰德斯开发了一种表面超声波装置来克服锂金属电池的长期问题。该装置通过驱动电解质在电极间隙之间充分流动，尽可能地防止枝晶生成和电解质耗尽。

表面超声装置内部产生的声波(流体)驱动的流动显著降低了电解液中锂离子的浓度梯度，即使在快速充电的情况下，也可以实现均匀的锂沉积。此外，表面超声波装置的功耗约为10毫瓦时/平方厘米，与充电本身相比相对较小。锂金属电池放电过程中不易形成枝晶。

本文设计了一种独立于化学物质的方法来避免电解质中的离子耗尽和枝晶生长。采用小型高频超声装置可以有效驱动电解液在电极间隙中产生均匀的离子流量分布，使枝晶生长的电位位置在超声源的特定距离内保持稳定。这项简单的技术将有助于提高电池的效率、效用和可持续性，并可用于当前和未来的可充电电池。

相关论文信息:https://doi.org/10.1002/adma.201907516