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MIT团队:搞清了制约固体锂电池最大瓶颈
www.creaders.net | 2022-11-21 15:45:09  煎蛋网 | 0条评论 | 查看/发表评论
 

  理论上,固体锂电池比当前电池更轻、更紧凑、更安全,是世界各地实验室多年来一直所追求的梦中电池。现今普遍使用的是锂离子聚合物电池。

MIT团队:搞清了制约固体锂电池最大瓶颈

  关键差异在于,用更薄、更轻的固体陶瓷材料层代替位于正极和负极之间的液体电解质,并用固体锂金属代替其中一个电极。这将大大减少电池的整体尺寸和重量,并消除与易燃液体电解质相关的安全风险。但轻质固态锂电池一直受到一个大问题的困扰:枝晶。

  枝晶,是金属的突起。在电池内部,因为未知的原因,会有尖锐的晶体生长,就像树木的枝干,最终从一个电极伸到另一个电极处并使电池短路(会燃烧起火)。能够搞清相关机制的人,肯定会被授予诺贝尔化学奖。但既然一直还没有化学家站出来揭开这一问题的神秘面纱,现在仅存在暂缓枝晶生长速度的工艺,所以这一现象制约了轻质固态电池的使用寿命和稳定性,导致固体锂电池至今仍算不上是实用的选项。

  现在,具体说是前天,发表在《焦耳》上、由麻省理工学院教授 Ye-Ming Chiang、研究生 Cole Fincher 以及麻省理工学院和布朗大学的其他五人共同撰写的论文,似乎 解决了这一问题。

  Chiang说,早期工作中,他们做出了“令人惊讶和意外”的发现:充放电时,固态电池的坚硬固体电解质材料可以在此过程中被锂穿透,锂离子可在材料两侧穿梭。

  离子的这种来回穿梭导致电极的体积发生变化。这不可避免地会在固体电解质中产生应力,它必须与夹在其间的两个电极保持完全接触。 “要沉积这种金属,必须扩大体积,因为你正在增加质量,因此,锂沉积一侧的体积增加了。如果系统还存在微观缺陷,这将对那些可能导致开裂的缺陷施加压力。”

  该团队现在已经表明,这些压力会导致形成枝晶的裂缝。解决方法是 更多的压力,施加在正确的方向和适当的力度上。

  虽然以前,一些研究人员认为枝晶是由纯电化学过程而不是机械过程形成的,但该团队的实验表明,是机械应力导致了这个问题。

  枝晶形成的过程通常发生在电池单元的不透明材料深处,无法直接观察到,因此 Fincher 开发了一种使用透明电解质制造薄电池的方法,可以直接看到和记录整个过程。

  该团队证明,他们可以简单地通过施加和释放压力来直接控制枝晶的生长。

  对固体电解质施加机械应力并不能消除枝晶的形成,但它确实控制了它们的生长方向。这意味着它们可以被引导以保持与两个电极平行,并防止它们穿过另一侧,从而变得无害。

  研究人员尝试借助弯曲材料引起压力,自然引导枝晶的生长方向。

  另一种方法是用原子“掺杂”材料,使其变形并并处于永久受压状态。Chiang解释说,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。而且所需的压力并不极端:实验表明,150 到 200 兆帕的压力足以阻止枝晶穿过电解质。

  这在工业上并不难于实现。

  事实上,一种不同的应力,所谓的电池堆压力,通常通过在垂直于电池板的方向上挤压材料来施加到电池单元上——有点像放置重物来压泡面。人们认为这可能有助于防止层分离。但现在的实验表明,该方向的压力实际上会加剧枝晶的形成。

  相反,需要的是沿板平面的压力,就像从侧面挤压牙膏一样。 “我们在这项工作中展示的是,当你施加压缩力时,你可以迫使晶体沿压缩方向行进。”Fincher说,如果该方向沿着板的平面,枝晶“将永远不要到达另一边。”

  最终,固体电解质+金属锂电极的电池在理论上已变得可行。这些不仅可以在给定的体积和重量中包含更多的能量,而且还可以消除对易燃材料液体电解质的需求。

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