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研究人員探討鋰金屬電池老化概況

時(shí)間:2021-03-26 09:40來源:蓋世汽車 作者:Elisha
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電池,斯坦福大學(xué),SLAC實(shí)驗(yàn)室,電解液,鋰金屬電池,枝晶
(圖片來SLAC)

       哪怕手機(jī)關(guān)機(jī)了,電池最后也會(huì)沒電的。在遠(yuǎn)距離電動(dòng)汽車使用的鋰金屬池中,也存在同樣的問題。據(jù)外媒報(bào)道,斯坦福大學(xué)(Stanford University)和美國(guó)能源部SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室(SLAC National Accelerator Laboratory)的科學(xué)家們,首次從原子層面觀察這種被稱為“存儲(chǔ)老化”(calendar aging)的過程如何攻擊鋰金屬負(fù)極。研究人員發(fā)現(xiàn),在電池老化過程中,在兩個(gè)電極之間攜帶電荷的電解液具有很大的影響力。

       研究顯示,經(jīng)過短短24小時(shí),存儲(chǔ)老化就可以消耗鋰金屬電池2-3%的電量。而在鋰離子電池中,這需要三年的時(shí)間。盡管這種電荷損失的現(xiàn)象會(huì)逐漸減緩,但累加起來可能使電池壽命縮短25%。SLAC和斯坦福大學(xué)教授 Yi Cui表示:“我們的研究表明,電解液對(duì)存儲(chǔ)電池的穩(wěn)定性影響很大。”

       與鋰離子電池一樣,鋰金屬電池通過鋰離子在電極之間來回運(yùn)送電荷。然而,鋰離子電池的負(fù)極用石墨制成,而鋰金屬電池的負(fù)極是由鋰金屬制成。相比之下,鋰金屬電池要輕得多,而且在既定體積和重量下,有可能儲(chǔ)存更多的能量。對(duì)于電動(dòng)汽車來說,這具有重要意義,有助于降低成本,并增加續(xù)航里程。

電池,斯坦福大學(xué),SLAC實(shí)驗(yàn)室,電解液,鋰金屬電池,枝晶

下一代鋰金屬電池經(jīng)歷快速的存儲(chǔ)老化,即使不使用電池,也會(huì)耗盡電量,并降低其儲(chǔ)存能量的能力。

       美國(guó)能源部的電池500聯(lián)盟(包括SLAC和斯坦福在內(nèi))的目標(biāo)是開發(fā)可用于電動(dòng)汽車的鋰金屬電池,使其重量能量密度大約達(dá)到現(xiàn)有電池的三倍。他們?cè)谔岣唠姵啬芰棵芏群蛪勖矫嫒〉昧撕艽筮M(jìn)展,但仍有很多問題有待解決,如負(fù)極上的枝晶生長(zhǎng)問題,可能導(dǎo)致電池短路并著火。

       過去幾年,研究人員一直在尋找解決這些問題的方案,包括防止鋰金屬負(fù)極生長(zhǎng)枝晶的新涂層,以及一種能防止枝晶生長(zhǎng)的新電解液。研究人員David Boyle表示,這方面的研究大多集中在如何減少反復(fù)充放電造成的損害上,因?yàn)榉磸?fù)充放電會(huì)使電極產(chǎn)生應(yīng)變和裂紋,影響電池的工作壽命。在本項(xiàng)研究中,研究小組希望,通過測(cè)試各種具有不同化學(xué)成分的電解液,了解鋰金屬負(fù)極老化的概況。

       首先,Boyle測(cè)量了含不同電解液的鋰金屬電池的充電效率。然后,研究人員小心翼翼地拆卸已充滿電的電池,靜置一天后取出負(fù)極,使其在液氮中速凍,以保留其在存儲(chǔ)老化過程中特定時(shí)間點(diǎn)的結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分。接下來,使用低溫電子顯微鏡(Cryo-EM)檢測(cè)負(fù)極,以觀察各種電解質(zhì)在接近原子的尺度上對(duì)負(fù)極的影響。這是Cui的團(tuán)隊(duì)在幾年前首創(chuàng)的一種方法,用于研究電池組件的內(nèi)部活動(dòng)狀態(tài)。

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每次鋰金屬電池充電時(shí),負(fù)極上都會(huì)沉積一層新的鋰金屬。電解液會(huì)腐蝕這種新金屬面(左),在負(fù)極表面形成SEI層。                   
研究顯示,即使不使用電池,腐蝕仍在繼續(xù)(右),經(jīng)過存儲(chǔ)老化,SEI層變得不規(guī)則和結(jié)塊。

       在目前的鋰離子電池中,因?yàn)殡娊庖焊g,負(fù)極表面會(huì)形成固體電解質(zhì)界面膜(SEI),這會(huì)消耗少量的電池容量,但能保護(hù)負(fù)極不受進(jìn)一步的腐蝕?偟膩碚f,平滑、穩(wěn)定的SEI層有利于電池正常工作。但鋰金屬電池充電時(shí),負(fù)極表面都會(huì)沉積一層薄薄的鋰金屬,為存儲(chǔ)老化過程中的腐蝕提供新的表面。在測(cè)試過程中,每種電解液都會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生一種獨(dú)特的SEI生長(zhǎng)模式,有些會(huì)形成塊狀或薄膜,或者兩者兼而有之。這些不規(guī)則的生長(zhǎng)模式與腐蝕速度加快和充電效率損耗相關(guān)聯(lián)。

       與預(yù)期相反,與表現(xiàn)不佳的電解液一樣,原本支持高效充電的電解液也會(huì)因存儲(chǔ)老化而出現(xiàn)效率下降。因此,要最大限度地減輕存儲(chǔ)老化現(xiàn)象,其挑戰(zhàn)在于將電解液的腐蝕性和負(fù)極表面鋰金屬的腐蝕程度降至最低。研究人員表示:“真正重要的是,我們擁有了一種新的電解質(zhì)研究方式。這為獲得下一代電池技術(shù)所需的參數(shù),提出了一種新的電解質(zhì)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。”

(責(zé)任編輯:子蕊)
文章標(biāo)簽: 電池 鋰金屬電池 電池老化
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