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可充电锂电池枝晶难题破解,为新型固态电池设计开启大门

2022-11-22 10:41:19
来源:科技日报 作者:张佳欣 评论:0

  据最新一期《焦耳》杂志,美国麻省理工学院研究人员解释了可充电锂电池“枝晶”的形成原因以及如何防止其穿过电解液的方法。这一发现最终可能开启一种新型可充电锂电池的设计之门,这种电池比目前的版本更轻、更紧凑、更安全。

  到目前为止,可充电锂金属电池的商业用途还很有限,其中一个原因是枝晶。枝晶可在锂表面堆积,渗透到固体电解液中,最终从一个电极交叉到另一个电极,使电池短路。

  麻省理工学院的早期研究发现,锂离子固体电解质材料在电池充放电过程中来回穿梭,会导致电极的体积发生变化。这不可避免地在固体电解液中产生应力,它必须与夹在中间的两个电极保持完全接触。“为了沉积这种金属,就必须扩大体积,因为新的质量正在增加。因此,锂电池一侧的体积增加了。如果有哪怕是微小的缺陷存在,就将对这些缺陷产生压力,从而导致开裂。”

  研究团队现在发现,这些压力会导致裂缝,从而形成枝晶。事实证明,解决问题的办法是以正确的方向和适当的力量施加压力。

  之前,一些研究人员认为枝晶是由纯电化学过程而非是机械过程形成的,但该团队的实验表明,导致问题的是机械应力。

  电池枝晶的形成过程通常发生在不透明材料的深处,无法直接观察到,因此研究人员开发了一种使用透明电解液制造薄电池的方法,可直接看到和记录整个过程。

  该团队证明,他们只需施加和释放压力,就可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应力并不能消除枝晶的形成,但它确实可以控制它们的生长方向。这意味着可以引导它们与两个电极保持平行,并防止它们穿过另一侧,从而变得无害。

  另一种方法是在材料中“掺杂”嵌入原子,使其变形并处于永久的应力状态。实验表明,150到200兆帕斯卡的压力足以阻止枝晶穿过电解液。

  此前,人们认为类似三明治的多层结构可防止枝晶结构生成。但新的实验证明,在垂直于电池极板方向上挤压材料实际上会加剧枝晶结构的形成。取而代之的应该是沿着平面的压力,就像是从三明治侧面挤压一样。

(责任编辑:韩梦晨)

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