新型汽車電池技術：用磁力控制鋰實現安全無爆炸的“夢幻電池”

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據Tech Xplore報道，一種新型電池技術已經研發成功，它能提供更高的能量存儲——足以緩解電動汽車的續航里程問題——同時降低熱失控和爆炸的風險。

浦項科技大學（POSTECH）的一個研究團隊開發了一種新一代混合陽極，利用外部磁場來調節鋰離子傳輸，有效抑制高能量密度電極中的枝晶生長。

由化學工程系和電池工程研究生院的Won Bae Kim教授、Song Kyu Kang博士和綜合博士生Minho Kim領導的POSTECH研究小組介紹了一種“磁轉換”策略，該策略將外部磁場應用于鐵磁性錳鐵氧體轉換型陽極。

該研究已發表在《能源與環境科學》（Energy & Environmental Science）雜志上。

電池安全性和容量方面的挑戰

隨著電動汽車和大規模儲能市場的快速擴張，電池行業面臨著一個緊迫的挑戰：開發出既能儲存更多能量又能保持安全的電池。

鋰金屬負極具有極高的理論容量，但在反復充放電過程中容易形成尖銳的針狀枝晶，這些枝晶會刺穿隔膜，導致內部短路，甚至引發火災或爆炸。與此同時，目前廣泛使用的傳統石墨負極存在固有的容量限制，因此，開發新一代負極技術至關重要。

原位X射線顯微鏡和計算建模揭示了鋰沉積的實時動態行為。圖片來源

磁轉換策略的工作原理

這個想法很簡單：“如果磁鐵可以使鐵屑排列整齊，為什么不利用它來組織鋰離子的流動呢？”

當鋰離子嵌入錳鐵氧體陽極時，會產生鐵磁性金屬納米顆粒。在外加磁場的作用下，這些納米顆粒像微型磁鐵一樣在電極內部排列。這種排列使鋰離子更均勻地分布在電極表面，防止它們聚集在特定區域。

在此過程中，洛倫茲力（Lorentz force 磁場中帶電粒子所受的力）進一步分散鋰離子，促進其均勻傳輸。因此，陽極不會形成有害的枝晶，而是形成光滑、致密且均勻的鋰金屬沉積層。

此外，陽極采用混合系統運行，既將鋰儲存在氧化物基質中，又將金屬鋰沉積在表面。

這種雙重機制使得電池的儲能容量比商用石墨負極高出約四倍，同時保持了穩定的充放電循環，且未觀察到枝晶的形成。值得注意的是，該電池在超過300次循環中庫侖效率（Coulombic efficiency）均保持在99%以上，展現出優異的長期穩定性。

對下一代電池的影響

領導這項研究的Won Bae Kim教授表示：“這種方法同時解決了鋰金屬負極的兩大挑戰——不穩定性以及枝晶形成。它代表了一條通往更安全、更可靠的鋰金屬電池的新途徑。我們期望這項技術能夠為提高下一代電池的容量、循環壽命和充電速度奠定基礎。”