10月18日,90后學(xué)者、密西根州立大學(xué)化學(xué)工程與材料科學(xué)系助理教授、浙大校友方成成擔(dān)任共同一作及共同通訊作者,在Nature Energy發(fā)表論文,該研究的最重要成果,是通過(guò)給電池施加合適的壓力,實(shí)現(xiàn)了鋰金屬生長(zhǎng)的完全可控。
“論文正式發(fā)表之前,研究成果就已通過(guò)預(yù)印公開(kāi),很快就有工業(yè)界人士表示,使用我們的研究結(jié)論,讓其產(chǎn)品得到了非常好的性能。此次成果將會(huì)被廣泛應(yīng)用到軟包鋰金屬電池里?!闭撐倪€未發(fā)表,業(yè)界已經(jīng)一片叫好,但方成成認(rèn)為其中也有新能源汽車“東風(fēng)正盛”的原因。
方成成,密西根州立大學(xué)化學(xué)工程與材料科學(xué)系助理教授。2012年本科畢業(yè)于浙江大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程專業(yè)。2015年畢業(yè)于香港科技大學(xué)獲哲學(xué)碩士學(xué)位。2019年畢業(yè)于加州大學(xué)圣地亞哥分校獲材料學(xué)博士學(xué)位。
研究方向?yàn)橄乱淮吣芰棵芏蠕囯x子,鋰金屬電池體系,研究范圍包括從原子尺度對(duì)正負(fù)極材料的觀測(cè)與理解,到宏觀尺度對(duì)電池的失效分析和性能優(yōu)化。
從本科畢設(shè)開(kāi)始的十年鋰電池研究
方成成生于1990年,今年31歲,成長(zhǎng)于湖南省岳陽(yáng)市華容縣,本科就讀于浙江大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院。讀本科時(shí),她剛好趕上了智能手機(jī)的興起,智能手機(jī)對(duì)老式手機(jī)的取代,讓她看到電池技術(shù)的重要。她選擇參與趙新兵教授課題組鋰離子電池相關(guān)的研究作為畢業(yè)設(shè)計(jì)內(nèi)容。
本科畢業(yè)后,她在香港科技大學(xué)陳國(guó)華教授的指導(dǎo)下開(kāi)始攻讀哲學(xué)碩士學(xué)位。研究課題依然圍繞新型鋰離子電池材料展開(kāi)。2019年,她在加州大學(xué)圣地亞哥分校(UCSD)獲得材料學(xué)博士學(xué)位,師從孟穎(Shirley Meng)教授。博士畢業(yè)后,她留組進(jìn)行了短暫的博士后研究,以完成此次論文。
在博士和博后期間,她的研究工作均在美國(guó)能源部電池500聯(lián)盟(battery500 consortium)的資助下完成的。電池500聯(lián)盟是美國(guó)能源部電池研究的旗艦項(xiàng)目,由西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)導(dǎo),由包括UCSD在內(nèi)的九個(gè)美國(guó)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和大學(xué)成員組成,目標(biāo)是研發(fā)電池整體能量密度到達(dá)500Wh/kg的鋰金屬電池,以用于下一代電動(dòng)車。2019年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主Dr. John B. Goodenough 和Dr. M. Stanley Whittingham都是這個(gè)聯(lián)盟的成員。
“博士期間,能有機(jī)會(huì)和領(lǐng)域內(nèi)最頂尖的科學(xué)家們一起工作,對(duì)我來(lái)說(shuō)是特別大的鼓舞和激勵(lì)?!狈匠沙杀硎荆约鹤鳛楸碚鹘M的核心成員,完成了本文提及的兩篇論文,目的都是為了解決鋰金屬在實(shí)際應(yīng)用中遇到的問(wèn)題而展開(kāi)的最基礎(chǔ)的材料科學(xué)研究。
從本科畢業(yè)設(shè)計(jì)的論文開(kāi)始,她一直致力于鋰電池材料的研究,至今已有整整十年。如今,她將繼續(xù)帶領(lǐng)自己的課題組,致力于開(kāi)發(fā)新型電池材料和制造方法的研究。
解決了困擾整個(gè)領(lǐng)域長(zhǎng)久的兩個(gè)問(wèn)題
鋰金屬電池能提供兩倍于鋰離子電池的整體容量。實(shí)現(xiàn)鋰金屬電池技術(shù)的瓶頸之一,在于如何安全高效地使用金屬鋰作為負(fù)極。在電池充電過(guò)程中,鋰金屬負(fù)極極易生成鋰枝晶,如果枝晶刺穿隔膜,則會(huì)導(dǎo)致電池短路,發(fā)生安全事故;在電池放電過(guò)程中,鋰金屬負(fù)極又會(huì)形成死鋰,從而消耗電池里有限的鋰源,導(dǎo)致電池容量快速衰減,最終無(wú)法提供理想的循環(huán)壽命。
因此,如何控制鋰枝晶的生長(zhǎng),如何得到致密的電化學(xué)沉積的鋰負(fù)極, 以及如何提高鋰金屬在充放電過(guò)程中的可逆性,從而減少甚至消除死鋰的生成,一直是領(lǐng)域內(nèi)的努力目標(biāo)。
在此次工作中,方成成等人通過(guò)控制電池壓力,在電池里通過(guò)電化學(xué)沉積得到的致密鋰金屬,幾乎達(dá)到鋰金屬的理論密度,完全消除了枝晶的生長(zhǎng)。進(jìn)一步地,他們還提出了抑制死鋰生成的方案,讓電池在進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間循環(huán)之后依然能保持致密的鋰金屬負(fù)極,借此解決了長(zhǎng)久以來(lái)困擾整個(gè)領(lǐng)域的鋰枝晶生長(zhǎng)和死鋰生成的問(wèn)題。
尤其是他們還發(fā)現(xiàn)即使使用比較大的充放電電流、或者進(jìn)行低溫充放,這時(shí)通過(guò)壓力控制,依然能得到非常致密的鋰沉積,這意味著鋰金屬電池也能進(jìn)行快充和低溫應(yīng)用,而這顛覆了業(yè)界之前普遍認(rèn)為鋰金屬用做快充會(huì)產(chǎn)生枝晶的認(rèn)知。如果能通過(guò)合適的工程方法,把這種壓力控制應(yīng)用到鋰金屬電池組的設(shè)計(jì)上,將會(huì)大大助力鋰金屬電池的安全商用化進(jìn)程。
出于好奇設(shè)計(jì)了可調(diào)節(jié)壓力的電池
方成成說(shuō),最初的想法來(lái)源于相關(guān)實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)。作為一種常用的鋰金屬負(fù)極效率研究的測(cè)試電池,Li-Cu扣式電池在安裝過(guò)程中,增加一個(gè)墊片就能讓電池內(nèi)部壓得更緊,從而得到更好的循環(huán)效率。
最近兩年,陸續(xù)有論文報(bào)道通過(guò)施加壓力,即可給鋰金屬電池帶來(lái)更好的性能。但很少有學(xué)者對(duì)壓力在鋰金屬沉積和溶解過(guò)程中的機(jī)理,進(jìn)行系統(tǒng)性研究。出于好奇,她和作者們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)可調(diào)節(jié)壓力的電池裝置,并加上壓力傳感器,目的是想成體系地定量研究,鋰金屬的循環(huán)效率是如何被壓力改善的。
實(shí)驗(yàn)很簡(jiǎn)單,首先在不同壓力下進(jìn)行鋰金屬電化學(xué)沉積,實(shí)際上這對(duì)應(yīng)的是電池中的充電過(guò)程,接著再對(duì)這些沉積的鋰金屬樣品進(jìn)行橫截面形貌分析。然后她發(fā)現(xiàn),在壓力一步步優(yōu)化的過(guò)程中,鋰金屬在電化學(xué)沉積過(guò)程中的生長(zhǎng)方向,可以被壓力改變,借此可在最優(yōu)條件下形成完美、且致密的柱狀結(jié)構(gòu)。最優(yōu)壓力大約為350 kPa,這遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鋰金屬244 MPa的屈服強(qiáng)度,這表明鋰金屬并不是在壓力作用下發(fā)生的變形,也意味著只需三到四個(gè)大氣壓壓力,即可在工業(yè)上有效控制鋰金屬的致密生長(zhǎng)。
多年積累,有望讓電子設(shè)備續(xù)航更長(zhǎng)