研究固態電池的科學家面臨兩個挑戰:1、當電池在充電和不充電狀態之間循環時,需要防止枝晶生長。2、固體電解質和锂陽極(帶負電荷的電極)在放電過程中會形成孔隙,導致電池兩部分之間的接觸面積減少。

全固態電池

外媒報道,全固態電池是一種所有部件都是固體的電池,由于其能夠存儲更多能量,而且具備操作更安全的潛力,已成爲替代锂離子電池的下一代電池,受到了人們的關注。如果固態電池能夠實現量産,將能夠給電動汽車(EV)行業帶來革命性的變化,因爲其可有效增加電動汽車的續航裏程,以及可以顯著降低電動汽車體積和重量。但是,固態電池在實際電流下循環(反複充放電)後會發生故障,這也是阻礙其實現大規模商業化的障礙之一。

不过,英国牛津大学(the University of Oxford)法拉第研究所(Faraday Institution)的研究人员采取了措施,了解了固态电池出现故障的机制(是避免其出现此类故障的必要前提)。電池在充電時,锂離子還原時形成的樹枝狀金屬锂就是枝晶,會穿過固態、陶瓷和電解質繼續蔓延,從而導致電池短路。

很久之前,研究人員就知道固態電池的陽極會産生孔隙,但是人們還沒有理解此類孔隙在枝晶形成過程中的作用。該研究將前沿電化學和成像技術相結合,基本能夠理解孔隙在電池循環中形成,以及孔隙在電池枝晶生長以及電池故障中的作用。

研究固態電池的科學家面臨兩個挑戰:1、當電池在充電和不充電狀態之間循環時,需要防止枝晶生長。2、固體電解質和锂陽極(帶負電荷的電極)在放電過程中會形成孔隙,導致電池兩部分之間的接觸面積減少。

使用两个普通电极的电池很难区分锂电镀和锂剥离的过程,因此该研究的研究人员采用了三极电池,分别研究了在锂金屬/陶瓷界面处锂电镀和锂剥离过程对电池循环的影响,而且选用Li6PS5Cl作为固体电解质,此类硫化物的电导率比氧化物高,一些试图实现固态电池商业化的公司都将其作为电解质。与其他高导电性的硫化物相比,该硫化物不那么易碎。

研究人員發現,如果要避免在固態電池內形成枝晶,就需要在锂離子剝離(CCS)過程中,控制在關鍵電流密度之下(即開始形成孔隙的臨界電流密度)進行電池循環。即使電流密度低于锂電鍍過程中枝晶形成時的阈值,也是如此。當電流密度大于CCS時的電流密度,電池循環中會累積孔隙,固體電解質的接觸面積相應減小,導致局部電流密度增大,直至形成枝晶,導致電池短路和故障。

雖然小型、不可二次充電的商用固態電池越來越多,例如用于心髒檢測等醫療植入物等。但是,電動汽車需要量産的固態電池,以確保其能夠在電動汽車使用壽命內安全運行,且達到可接受的性能水平,現在量産固態電池仍存在相當大的挑戰。

目前電動汽車中采用的锂離子電池包含易燃有機液體電解質,在電池充放電過程中,攜帶電荷的锂離子會穿過電解質,此類液體存在安全隱患,將固態電解質取代液態電解質就可以消除火災風險。

全世界的科学家都在努力研发新型电池化学物质,以让电池达到一定的性能(功率密度和能量密度),从而让电动汽车的驾驶体验与内燃机汽车的体验相当。研发具有锂金屬阳极的先决条件就是消除液体电解质,从而显著提升电池性能。

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[責任編輯:趙卓然]

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