采用固態(tài)電解質(zhì)的新型鋰金屬電池重量輕、易燃、能量大、充電速度快，但由于總是莫名其妙的發(fā)生短路和故障，開(kāi)發(fā)進(jìn)展緩慢。據(jù)外媒報(bào)道，斯坦福大學(xué)（Stanford University）和美國(guó)能源部的SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室的研究人員表示解開(kāi)了這種電池經(jīng)常短路的謎團(tuán)，即壓力，更準(zhǔn)確地說(shuō)是機(jī)械壓力，尤其是在強(qiáng)力充電期間。
斯坦福大學(xué)可持續(xù)發(fā)展學(xué)院Doerr School of Sustainability材料科學(xué)與工程副教授William Chueh解釋說(shuō)：“電池的適度壓痕、彎曲或扭曲會(huì)導(dǎo)致材料中的納米級(jí)裂縫打開(kāi)，因此鋰會(huì)侵入固體電解質(zhì)，導(dǎo)致短路。”
在1月30日發(fā)表在期刊《Nature Energy》的一項(xiàng)研究中，共同主要作者Geoff McConohy、Xin Xu和Teng Cui在實(shí)驗(yàn)中解釋了納米級(jí)缺陷和機(jī)械應(yīng)力對(duì)固體電解質(zhì)失效的影響。正如斯坦福研究團(tuán)隊(duì)一樣，全球的科學(xué)家都在試圖開(kāi)發(fā)新型固體電解質(zhì)，以設(shè)計(jì)出更好的可充電電池。能量密集、快速充電、不易燃、使用壽命長(zhǎng)的鋰金屬電池可以克服電動(dòng)汽車(chē)廣泛使用的主要障礙，且具有更多優(yōu)勢(shì)。
一、統(tǒng)計(jì)學(xué)意義
當(dāng)今許多先進(jìn)的固體電解質(zhì)采用的都是陶瓷。陶瓷能夠快速傳輸鋰離子，并在物理上將儲(chǔ)存能量的兩個(gè)電極分開(kāi)。最重要的是，陶瓷防火。但就像家用陶瓷一樣，其表面會(huì)出現(xiàn)微小的裂縫。
研究人員通過(guò)60多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)證明，陶瓷通常充滿(mǎn)納米級(jí)裂縫、凹痕和裂縫，許多寬度小于20納米(一張紙大約有100,000納米厚)。Chueh及其團(tuán)隊(duì)稱(chēng)，在快速充電過(guò)程中，這些固有的裂縫會(huì)打開(kāi)讓鋰侵入。
在每個(gè)實(shí)驗(yàn)中，研究人員將電探針應(yīng)用于固體電解質(zhì)，制造出微型電池，并使用電子顯微鏡實(shí)時(shí)觀察快速充電。隨后，他們使用離子束作為手術(shù)刀來(lái)了解為什么鋰會(huì)根據(jù)需要聚集在陶瓷表面的某些位置，而在其他位置，鋰開(kāi)始挖洞，越來(lái)越深，直到鋰橋接穿過(guò)固體電解質(zhì)，造成短路。
這一區(qū)別在于壓力。當(dāng)電探針僅接觸電解質(zhì)表面時(shí)，即使電池充電不到一分鐘，鋰也會(huì)聚集在電解質(zhì)頂部。然而，當(dāng)探針壓入陶瓷電解質(zhì)時(shí)，模仿壓痕、彎曲和扭曲的機(jī)械應(yīng)力，電池短路的可能性更大。
二、理論付諸實(shí)踐
真正的固態(tài)電池由一層又一層堆疊的陰極-電解質(zhì)-陽(yáng)極片構(gòu)成。電解質(zhì)的作用是將陰極與陽(yáng)極物理分離，但允許鋰離子在兩者之間自由移動(dòng)。如果陰極和陽(yáng)極接觸或以任何方式電連接，例如通過(guò)金屬鋰隧道，就會(huì)發(fā)生短路。
正如Chueh及其團(tuán)隊(duì)展示的那樣，即使是細(xì)微的彎曲、輕微的扭曲或電解質(zhì)和鋰陽(yáng)極之間的灰塵斑點(diǎn)，也會(huì)導(dǎo)致難以察覺(jué)的裂縫。
McConohy表示：“如果有機(jī)會(huì)鉆入電解質(zhì)，鋰最終會(huì)蜿蜒穿過(guò)，連接陰極和陽(yáng)極。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，電池就會(huì)失效。”
研究人員表示新的想法已經(jīng)過(guò)反復(fù)證明。他們使用掃描電子顯微鏡視頻記錄了該過(guò)程，但同樣的顯微鏡無(wú)法看到未經(jīng)測(cè)試的純電解質(zhì)中新生的裂縫。
Xu解釋說(shuō)，這有點(diǎn)像在完美的路面上出現(xiàn)坑洞。在雨雪中，汽車(chē)輪胎將水壓入路面上預(yù)先存在的微小裂縫，而這些裂縫隨著時(shí)間不斷擴(kuò)大。
Xu表示：“鋰實(shí)際上是一種柔軟的材料，但是，就像坑洞中的水一樣，它所需要的只是擴(kuò)大裂縫并導(dǎo)致電池失效的壓力。”
有了新的理解，Chueh及其團(tuán)隊(duì)開(kāi)始尋找在制造過(guò)程中有意使用這些完全相同的機(jī)械力來(lái)強(qiáng)化材料的方法，就像鐵匠在生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)刀片進(jìn)行退火一樣。他們還試圖尋找更多方法，以在電解質(zhì)表面涂上涂層，從而可以防止出現(xiàn)裂紋或在裂紋出現(xiàn)時(shí)進(jìn)行修復(fù)。
以上就是斯坦福大學(xué)發(fā)現(xiàn)鋰金屬電池短路原因的相關(guān)內(nèi)容。如果您對(duì)美國(guó)留學(xué)感興趣，歡迎您在線咨詢(xún)托普仕留學(xué)老師，托普仕留學(xué)專(zhuān)注美國(guó)前30高校申請(qǐng)，助力國(guó)內(nèi)學(xué)子順利獲得美國(guó)藤校入讀資格。
相關(guān)推薦
最新資訊