可充電鋰電池枝晶難題破解

美國麻省理工學院研究人員解釋了可充電鋰電池枝晶的形成原因以及如何防止其穿過電解液的方法。這一發現最終可能開啟一種新型可充電鋰電池的設計之門,這種電池比目前的版本更輕、更緊湊、更安全。
可充電鋰電池枝晶難題破解
到目前為止,可充電鋰金屬電池的商業用途還很有限,其中一個原因是枝晶。枝晶可在鋰表面堆積,滲透到固體電解液中,最終從一個電極交叉到另一個電極,使電池短路。

麻省理工學院的早期研究發現,鋰離子固體電解質原材料在電池充放電過程中來回穿梭,會導致電極的體積發生變化。這不可避免地在固體電解液中產生應力,它必須與夾在中間的兩個電極保持完全接觸。“為了沉積這種金屬,就必須擴大體積,因為新的質量正在增加。因此,鋰電池一側的體積增加了。如果有哪怕是微小的缺陷存在,就將對這些缺陷產生壓力,從而導致開裂。”

研究團隊現在發現,這些壓力會導致裂縫,從而形成枝晶。事實證明,解決問題的辦法是以正確的方向和適當的力量施加壓力。

之前,一些研究人員認為枝晶是由純電化學過程而非是機械過程形成的,但該團隊的實驗表明,導致問題的是機械應力。

電池枝晶的形成過程通常發生在不透明原材料的深處,無法直接觀察到,因此研究人員開發了一種使用透明電解液製造薄電池的方法,可直接看到和記錄整個過程。

該團隊證明,他們只需施加和釋放壓力,就可直接控制枝晶的生長,使枝晶與力的方向完全一致。對固體電解質施加機械應力並不能消除枝晶的形成,但它確實可以控制它們的生長方向。這意味著可以引導它們與兩個電極保持平行,並防止它們穿過另一側,從而變得無害。

另一種方法是在原材料中“摻雜”嵌入原子,使其變形並處於永久的應力狀態。實驗表明,150到200兆帕斯卡的壓力足以阻止枝晶穿過電解液。

此前,人們認為類似三明治的多層結構可防止枝晶結構生成。但新的實驗證明,在垂直於電池極板方向上擠壓材料實際上會加劇枝晶結構的形成。取而代之的應該是沿著平面的壓力,就像是從三明治側面擠壓一樣◆

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