浙江工业大学，Science展望论文！
学术
2024-10-21 22:28
河南
在当今的科技发展浪潮中，电池技术的创新与突破备受瞩目。尤其是高容量电池材料如硅和锂的应用，虽然它们在理论上具有巨大的能量存储潜力，但在实际使用中却面临着诸多挑战。这些材料在反复充放电过程中会经历显著的体积变化，导致电极材料的严重结构变形和粉化，形成大量的“失活材料”，如死硅和死锂。这些失活材料不仅会导致电池容量的快速衰减，还会影响离子传输效率，加速电解液的消耗，从而影响电池的整体性能。面对这些严峻挑战，浙江工业大学陶新永教授应邀在Science上发表了题为“Electric pulses rejuvenate batteries”的展望论文（Perspective），对高容量电池材料“死亡”及活性修复进行了评论和展望。研究通过引入不均匀电场和脉冲电压等方法，他们成功实现了对失活材料的再激活与连接，显著提高了电池的容量恢复率。这项研究不仅为电池技术的持续优化提供了新思路，也为未来高性能电池的开发奠定了基础。在接下来的文章中，我们将深入探讨这一前沿技术的原理、应用及其对电池行业的深远影响。让我们一同关注这一领域的研究进展，期待它为电池材料的修复与性能提升带来新的机遇。浙江工业大学材料科学与工程学院陶新永教授为该论文的唯一通讯作者，浙江工业大学为该论文第一通讯单位，第一作者金成滨研究员为浙江工业大学博士毕业生，师从陶新永教授开展死锂激活研究，现已入职中国计量大学。
近年来，随着能源技术的迅速发展，电池作为储能装置，在智能手机、电动汽车、可穿戴设备等各个领域的应用愈发广泛。尤其是以硅、锂等高容量材料为代表的电池负极材料，因其卓越的储能性能受到了大量关注。然而，这些高容量材料在充电与放电的过程中不可避免地会经历巨大的体积变化，导致材料的严重粉化与脱落，进一步引发电池性能的急剧衰退。如何有效解决这一问题，恢复电池的活性，成为了当今科研的热点之一。在高容量电池中，尤其是采用硅、锂等高能量密度材料的电池，其在反复充放电过程中，电极材料会经历显著的体积膨胀与收缩。以硅为例，硅在充电过程中会与锂发生反应，形成锂化硅合金，伴随着体积膨胀约300%。这种体积变化会引发硅的结构崩塌，电极材料粉化、脱落，导致活性材料失去与其他电池组分的有效接触，形成所谓的“死硅”或“死锂”，这些失活的材料将不再参与电池的充放电反应，严重影响了电池的使用寿命与性能。不仅如此，失活材料还会对电池的电解液造成加速消耗，进一步限制了电池的长期稳定性。至此，电池的“死亡”现象不仅导致容量衰减，还阻碍了离子传输与转化，成为限制电池性能提升的关键因素之一。因此，如何恢复这些失活的电池材料，尤其是在不影响电池稳定性与安全性的前提下，重新激活失效的电池，成为了电池研究领域的重要挑战。为了解决上述问题，学术界和工业界纷纷提出了一系列电池修复技术。这些技术主要集中在通过外部刺激或化学反应来修复失活材料的电化学性质。1. 氧化还原介质法：这是一种通过引入具有反应性的氧化还原介质，将死锂转化为自由离子，并利用电池充电状态下的正极捕获这些自由离子，进而实现锂的再利用的方法。这种方法可以有效回收部分失活锂，但其适用性和效率仍有待进一步提升。2. 静置法：该方法通过静置电池来促进死锂表面固态电解质界面（SEI膜）的溶解，从而恢复与电极的电子导电通路。静置法虽然能够在一定程度上修复失活材料，但由于需要较长的时间，且重连效率较低，这限制了其实际应用。3. 脉冲法：近年来，由斯坦福大学等研究机构提出的“脉冲法”引起了广泛关注。该方法通过施加脉冲电压或其他形式的电场变化，引发电池内部的失活材料（如死硅）发生定向运动。具体而言，当施加不均匀电场时，具有不同复介电常数的失活材料（如死硅、死锂）在电场中受到吸引或排斥力的作用，发生定向移动。这种定向移动的过程被称为“介电泳”，它能够促使脱落的失活材料重新与电极接触，恢复电子导电通路，从而提高电池的容量。实验数据显示，脉冲法可以实现约30%的电池容量恢复，展现出较为显著的修复效果。脉冲法的核心原理在于利用电场的非均匀分布，促使电池内部失活材料的定向迁移。通过脉冲电压的施加，电池中的硅、锂等失活材料会在电场的作用下发生极性排列，朝着电场强度较大的区域迁移。由于不同的材料在电场中的复介电常数不同，失活材料的迁移方向也各不相同。具体而言，高锂含量的死硅因其较大的介电常数，会受到电场的吸引，朝电场强度较大的电极区域移动；而低锂含量的材料则会发生排斥，向电场强度较小的区域移动。这一过程不仅可以促进失活材料与电极之间的接触，还能够在一定程度上恢复材料的电导性，提高电池的整体容量。通过不断优化脉冲的参数（如电压、频率等），研究者们能够更好地控制修复过程，从而在不同类型的电池中应用这一方法。虽然脉冲法展现了令人鼓舞的修复效果，但在实际应用中仍面临许多挑战。首先，脉冲法的效果受电池环境的影响较大。电池的温度、电解液的组成以及脉冲的强度和频率都会影响修复的效果，因此在不同的应用场景下，需要精确调节这些参数。其次，电池中的电解质界面膜（SEI膜）等电化学稳定层可能会对失活材料的恢复造成阻碍。因此，如何有效地结合静置法与脉冲法，减少界面膜的影响，也是目前研究的一个重要方向。此外，脉冲法的推广应用还需要进一步验证其在其他类型电池中的适用性。不同的电池体系（如固态电池、锂硫电池等）具有不同的电化学特性，如何将脉冲法应用于更广泛的电池类型，仍需要更多的实验和理论研究支持。
在电池材料的研究中，陶新永教授及其团队的工作为解决失活电极材料的技术瓶颈提供了重要的思路与方法。他们通过创新的脉冲法，实现了对高容量电池材料的有效修复，展现出良好的容量恢复潜力。这一研究不仅为提升电池性能提供了新途径，也为未来的电池材料修复技术奠定了基础。面对复杂的材料失效机制，传统的方法往往难以解决根本问题。通过引入新的物理原理和创新的修复策略，我们能够更好地理解和应对电池技术中的挑战。这提醒我们，科学研究需要不断探索未知领域，结合多学科的知识，才能推动技术的进步和应用的拓展。未来，我们期待这一方法能在更多电池体系中得到应用，从而为可持续能源的发展贡献力量。Chengbin Jin, Xinyong Tao ,Electric pulses rejuvenate batteries.Science386,276-276(2024).DOI:10.1126/science.ads9691🌟 同步辐射，找华算 ！三代光源，全球机时，最快一周出结果，保质保量！👉全面开放项目：同步辐射硬线/软线/高能/液体/原位/SAXS/GIWAXS/PDF/XRD/数据拟合！🏅 500+博士团队护航，助力20000+研究在Nature&Science正刊及子刊、Angew、AFM、JACS等顶级期刊发表！
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