从人们日常消费，电网储能和智能机器人到电动汽车的不断发展，可充电电池是改善社会发展的关键。目前最好的锂离子电池（LIBs）的能量密度（240 Wh kg-1）仅为铅酸电池能量密度（40 Wh kg-1）的六倍，其安全性、可充电性、比容量和循环寿命仍需改进。随着目前LIBs技术的发展，使用锂化石墨和精心设计的电解液使LIBs逐渐接近了其理论容量，寻找可替代LIBs的产品以提高电池的能量密度已经刻不容缓。以金属锂为负极是锂金属电池（LMBs）拥有超过500 Wh kg-1的能量密度，是如今最好的LIBs的两倍，但锂金属在循环过程中会有枝晶的产生，导致一系列的安全问题，长期以来阻碍了LMBs的商业化发展。
近日，加州大学圣地亚哥分校James Friend教授开发了一种表面超声波装置（SAW），利用超声波驱使电解液流动，提高离子分布的均匀性，从而实现快速充电和提高循环寿命。相关论文以题为“Enabling Rapid Charging Lithium Metal Batteries via Surface AcousticWave-Driven Electrolyte Flow”发表在Adv. Mater.上。
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https://doi.org/10.1002/adma.201907516
在之前的研究中，有人提出在LMBs施加外部磁力通过磁流体动力学来抑制枝晶的连续生长，但此方法能耗高且性能受限。同时在传统的化学气相沉积过程中，超声波也被用来驱动电解液流动，提高离子分布的均匀性。然而，在这些过去的工作中，超声波设备体积体积庞大，低效且电化学不兼容，不适合用于实际的LMBs中。相比之下，只有指甲大小的表面超声波装置（SAW）能够提供优异的功率密度，常常被用于液滴处理、生物传感器、和微流体中的粒子收集方面，能够产生108-1010m s-2的局部极端加速度，驱动流体流动速度高达1 m s-1。可通过标准的紫外光刻蚀和加工过程廉价地生产SAW装置，在低损耗的单晶压电锂的铌酸盐衬底上沉积交错金属电极。
在本文的研究中，作者期待解决阻碍电池50多年来发展进步的两个根本问题，即充电时间长和循环寿命短。尤其是在基于DC/DEC的碳酸盐电解液中，锂枝晶的问题特别严重，枝晶的形成进一步消耗了电解液和锂负极。如图1所示，作者提出了一种由SAW驱动的锂金属电池（SAW LMB）,以此来克服锂金属电池中长期存在的问题。通过驱使电解液在电极间隙之间足够的流动，尽可能的防止Li+耗尽区的形成，从而防止枝晶的产生和电解液耗尽。由SAW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的Li+的浓度梯度，即使在快速充电的情况下，也能够实现均匀的Li沉积。此外，SAW装置的功耗约为10 mWh cm-2，与充电本身相比相对较小。在LMBs放电过程中，枝晶不形成，因此SAW装置可能保持关闭状态。
图1. 传统的锂金属电池和SAW驱动锂金属电池工作原理的比较，说明声流是如何在电极之间的间隙中驱使电解质流动。
SAW装置驱动锂金属电池（SAW LMB）可在商用碳酸盐基电解质中以6 mA cm-2电流密度中运行，普通的锂金属电池一般在2 mA cm-2电流密度下发生短路。存在SAW循环时，呈现无锂枝晶的沉积行为，接近理论密度。在一个完整的Li||LFP（LiFePO4）电池中，采用245μm厚的Li负极，在引入SAW之后，未循环的Li的量从145μm增加到225μm，Li的消耗量从41%降低到仅8%。
图2. 在半电池中，不同电流密度下SEM图像
图3. 传统的和SAW驱动的Li‖LiFePO4全电池在不同倍率下的循环性能
该文设计了一种与化学物质无关的方法，以避免电解液中离子耗尽和枝晶生长。采用小型高频超声波装置能够有效地驱使电解液在电极间隙内产生均匀的离子通量分布，使枝晶生长的潜在位置在超声源的特定距离内保持稳定。这种简单的技术将有助于提高电池的效率、效用和可持续性，用于当前和未来的可充电电池中。
来源：材料科学与工程公众号，作者：Caspar。
