鉅大LARGE | 點擊量：650次 | 2021年12月17日
科學(xué)家記錄鋰金屬電極如何老化 助力開發(fā)性能最大化電池
即使手機關(guān)機也會消耗掉電池，這一過程對鋰金屬電池來說更是一個問題。鋰金屬電池正在為下一代更小、更輕的電子設(shè)備、遠程電動汽車等等提供用途。
研究還顯示，日歷老化會在24小時內(nèi)耗盡鋰金屬電池2-3%的電量，而鋰離子電池則需要3年時間。盡管這種電荷滲透會隨著時間的推移而減緩，但它會迅速累積，并會使電池的壽命縮短25%。
斯坦福大學(xué)SLAC教授和斯坦福大學(xué)教授崔毅(音)說，我們的工作表明，電解質(zhì)可以對蓄電池的穩(wěn)定性產(chǎn)生很大的影響。崔毅與斯坦福大學(xué)教授鮑哲南共同領(lǐng)導(dǎo)了這項研究。人們并沒有真正花時間去研究這個問題，也沒有把它作為理解發(fā)生了什么事情的一種方式。
研究小組在《自然能源》雜志上描述了他們的研究結(jié)果。
下一代鋰金屬電池會經(jīng)歷快速的日歷老化，即使不使用時，也會耗盡電池電量并降低其存儲能量的能力。當(dāng)電池電解質(zhì)腐蝕充電過程中在陽極上形成的鋰金屬陽極顆粒（左上）或鋰金屬細絲時，會發(fā)生這種情況。腐蝕會產(chǎn)生一層不規(guī)則的團塊，稱為SEI（左下和右下）。SLAC國家加速器實驗室和斯坦福大學(xué)的一項研究發(fā)現(xiàn)，某些電解液比其他電解液更能導(dǎo)致這種破壞性腐蝕。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
為長途汽車提供更輕的電池
和鋰離子電池一樣，鋰金屬電池使用鋰離子在電極之間來回充電。但是鋰離子電池的陽極是用石墨做的，而鋰金屬電池的陽極是用鋰金屬做的，這種電池要輕得多，在給定的體積和重量下，有潛力存儲更多的能量。這對電動汽車來說尤其重要，因為電動汽車拖著沉重的電池到處跑需要耗費大量的能量。減輕他們的負荷可以降低他們的成本，增加他們的駕駛里程，使他們對消費者更有吸引力。
美國能源部的電池500聯(lián)盟，包括SLAC和斯坦福大學(xué)，有一個目標是開發(fā)用于電動汽車的鋰金屬電池，其單位重量的存儲電量幾乎是目前電動汽車電池的三倍。雖然他們已經(jīng)在提高電池的能量密度和壽命方面取得了很大進展，但他們還有很長的路要走。他們還在努力解決樹突的問題，樹突是一種在陽極上的手指狀生長物，會導(dǎo)致電池短路并著火。
在過去的幾年里,包和崔,是誰調(diào)查的斯坦福線性材料和能源科學(xué)研究所合作找到解決這些問題的辦法,包括一個新的涂層,以防止樹突增長鋰金屬陽極和電解質(zhì),也可以防止樹突增長。
Cui實驗室的博士生DavidBoyle說，大多數(shù)這樣的研究都集中在最小化反復(fù)充放電所造成的傷害上，反復(fù)充放電會使電極產(chǎn)生張力和裂紋，限制電池的工作壽命。
但在這項研究中，他說，研究小組想測試不同化學(xué)組成的各種電解質(zhì)，以了解鋰金屬陽極是如何老化的。
積極的腐蝕
首先，Boyle測量了含有各種電解質(zhì)的鋰金屬電池的充電效率。然后，他和他的博士生WilliamHuang小心翼翼地拆除了充滿電的電池，放置了一天，取出陽極，在液氮中閃凍，以保存其結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分在日歷老化過程中的特定點。
接下來，黃在斯坦福大學(xué)校園用低溫電子顯微鏡(cryoo-em)檢查了陽極，看看各種電解質(zhì)在接近原子尺度時是如何影響陽極的。這是崔的團隊幾年前首創(chuàng)的一種方法，用于觀察電池組件的內(nèi)部生活。
在今天的鋰離子電池中，電解質(zhì)腐蝕陽極表面，形成一層稱為固體電解質(zhì)界面，或SEI。這一層既是雙重人格:它消耗了少量的電池容量，但它也保護陽極免受進一步的腐蝕。所以在平衡上，一個平滑、穩(wěn)定的SEI層對電池功能是有好處的。
但在鋰金屬電池中，每當(dāng)電池充電時，陽極表面就會沉積一層薄薄的鋰金屬，這一層為老化過程中的腐蝕提供了一個新的表面。此外，黃教授說，我們發(fā)現(xiàn)，由于與電解液發(fā)生更劇烈的化學(xué)反應(yīng)，這些陽極上的SEI層生長得更劇烈。
他們測試的每種電解質(zhì)都產(chǎn)生了獨特的SEI生長模式，其中一些形成了團塊、薄膜或兩者都有，而這些不規(guī)則的生長模式與更快的腐蝕和充電效率的損失有關(guān)。
找到一個平衡
與預(yù)期相反，本來可以支持高效充電的電解質(zhì)與性能不佳的電解質(zhì)一樣，由于日歷老化而容易出現(xiàn)效率下降。沒有一種電解質(zhì)化學(xué)可以同時做到這兩點。
因此，要最小化日歷老化，挑戰(zhàn)將是最小化電解質(zhì)的腐蝕性和陽極表面的鋰金屬的程度，它可以攻擊。
真正重要的是，這給我們提供了一種研究哪種電解質(zhì)最有前途的新方法。它指出了一種新的電解質(zhì)設(shè)計標準，以實現(xiàn)下一代電池技術(shù)所需的參數(shù)。
