研究人员发现锂枝晶形成原因 助力开发新型固态电池

2022-11-22 15:50:37 | 来源:盖世汽车

据外媒报道,麻省理工学院(MIT)的研究人员获得新发现,或将为设计新型可充电固态锂电池打开大门。与现有产品相比,这种电池更轻、更紧凑、更安全。


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(图片来源:麻省理工学院)

与采用易燃电解液的锂离子电池相比,固态电池采用更薄、更轻的固体陶瓷电解质,以及固体锂金属电极,大大减少了电池的整体尺寸和重量,并且更加安全。然而,在锂表面堆积生长的枝晶,可能穿透固体电解质,从一个电极交叉到另一个电极,使电池短路。

这项研究由麻省理工学院和布朗大学的研究人员共同进行,有望阐明锂枝晶的形成原因,并展示如何防止枝晶穿透电解质。

在早期工作中,该团队发现,在电池充放电过程中,锂离子在电池的两极之间移动。离子穿梭会导致电极体积发生变化,从而对固体电解质造成压力,因为固体电解质必须与两个电极完全接触。MIT教授Yet-Ming Chiang表示:“在电池中,出现锂沉积一侧的体积会增大。如果存在微小的缺陷,就会对有缺陷的地方产生压力,从而导致开裂。”

该团队现已证明,这些压力导致产生裂缝,从而形成枝晶。解决这个问题的方法是,进一步施加压力,即在正确的方向上施加适量的力。

以前,一些研究人员认为,枝晶由纯电化学过程形成,而不是机械过程。然而,该团队的实验表明,导致这一问题的是机械压力。枝晶的形成过程,通常发生在电池不透明材料的深处,无法直接观察到。因此,MIT的研究生Cole Fincher开发了一种使用透明电解质制造薄电池的方法,可以直接看到并记录整个过程。他表示:“对系统施加压力时,可以看到发生了什么。由此可以观察,枝晶的行为是否与腐蚀过程或断裂过程相对应。”

该团队证明,只需施加和释放压力,就可以直接控制枝晶的生长,使枝晶与力的方向完全一致。对固体电解质施加机械压力,并不能避免枝晶形成,但确实可以控制枝晶的生长方向。因其经过引导可以与两个电极保持平行,并且不会交叉到另一边,避免对电池造成损害。

在测试过程中,研究人员采用通过弯曲材料而产生的压力。实际上,可以通过很多不同的方式来产生所需的压力。例如,可以使用具有不同热膨胀量的两层材料来制造电解质,从而使材料产生内在弯曲,如同某些恒温器。

另一种方法是在材料中“掺杂”嵌入其中的原子,使其变形并处于永久的应力状态。这与生产用于智能手机和平板电脑屏幕的超硬玻璃的方法相同。实验表明,150-200兆帕的压力足以阻止枝晶穿过电解质。

事实上,另一种称为堆叠压力的不同压力,经常被用在电池电芯上。本质上来说,是通过在垂直于电池极板的方向上挤压材料(有点像在三明治上加一个重物以产生压力),据称可能有助于防止分层。现在实验证明,这个方向的压力,实际上会加剧枝晶形成。与之相反,沿着平面施加压力,就像三明治从两侧被挤压一样,枝晶“永远不会到达另一边”。

该团队下一步将尝试将这些原理应用到创建功能电池原型,并找出量产此类电池所需的制造工艺。虽然已经申请了专利,但研究人员并不打算自己将该系统商业化。Fincher表示:“这只是对固态电池退化模式的一种理解。我们认为,该行业需要了解这一点,并在设计更好的产品时加以利用。”

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