鉅大LARGE | 點擊量：792次 | 2021年12月17日
?科學家們研究影響鋰金屬電極老化過程的因素
即使手機關機也會消耗掉電池，對于鋰金屬電池來說，問題更大，因為鋰金屬電池正在被開發(fā)用于下一代更小、更輕的電子設備、遠距離電動汽車和其他用途。
現(xiàn)在，斯坦福大學和能源部SLAC國家加速器實驗室的科學家們首次在原子尺度上研究了這個被稱為"日歷老化"的過程是如何攻擊鋰金屬陽極或負極的。他們發(fā)現(xiàn)，在電極之間攜帶電荷的電池電解液的性質(zhì)對老化有很大的影響，這是在開發(fā)能使電池性能最大化的電解液時需要考慮的因素。
研究還顯示，日歷老化可以在短短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。雖然這種電荷滲出會隨著時間的推移而減緩，但很快就會累積起來，并可使電池的壽命縮短25%。
"我們的工作表明，電解液可以使存儲電池的穩(wěn)定性產(chǎn)生很大的變化，"SLAC和斯坦福教授YiCui說，他與斯坦福教授ZhenanBao一起領導了這項研究。"這是人們還沒有真正花時間去研究或使用的東西，以了解發(fā)生了什么。"
研究團隊今天在《自然能源》上描述了他們的成果。
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%
遠行汽車的輕型電池
與今天的鋰離子電池一樣，鋰金屬電池使用鋰離子在電極之間來回輸送電荷。但鋰離子電池的陽極由石墨制成，而鋰金屬電池的陽極則由金屬鋰制成，重量更輕，在給定體積和重量的情況下，有可能儲存更多能量。這對于電動汽車來說尤其重要，因為電動汽車需要花費大量的能量來拖動其沉重的電池。減輕它們的負荷可以降低它們的成本，增加它們的行駛里程，使它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，其目標是為電動汽車開發(fā)鋰金屬電池，其單位重量可存儲的電量幾乎是今天電動汽車電池的三倍。雖然他們在提高這些電池的能量密度和壽命方面取得了很大的進展，但他們還有一段路要走。他們還在努力解決樹枝狀物的問題，樹枝狀物是陽極上的手指狀生長物，會使電池短路并起火。
在過去的幾年里，作為SLAC的斯坦福材料與能源科學研究所的研究人員，Bao和Cui合作找到了解決這些問題的方法，包括一種防止鋰金屬陽極上樹枝狀物生長的新涂層，以及一種也能防止樹枝狀物生長的新電解質(zhì)。
Cui實驗室的博士生DavidBoyle說，大多數(shù)這類研究都集中在最大限度地減少反復充電和放電造成的損害，因為反復充電和放電會使電極拉傷和開裂，限制電池的工作壽命。
但他說，在這項研究中，該團隊希望測試各種不同化學成分的電解質(zhì)，以了解鋰金屬陽極如何老化的總體情況。
腐蝕性強
首先，博伊爾測量了含有各種類型電解質(zhì)的鋰金屬電池的充電效率。然后，他和博士生WilliamHuang小心翼翼地拆開已經(jīng)充滿電并放置一天的電池，取出陽極，并將其在液氮中閃凍，以保存其在歷時老化過程中的特定點的結(jié)構和化學成分。
接下來，Huang在斯坦福大學的校園里用低溫電子顯微鏡（或稱低溫電鏡）對陽極進行了檢查，以了解各種電解質(zhì)如何在接近原子尺度上影響陽極。這是Cui的小組幾年前開創(chuàng)的一種觀察電池元件內(nèi)部生活的方法。
在當今的鋰離子電池中，電解液會腐蝕陽極表面，形成一層稱為固-電相間的物質(zhì)，或SEI。該層既是Jekyll，也是Hyde：它消耗了少量的電池容量，但它也保護了陽極，使其免受進一步腐蝕。因此，總的來說，光滑、穩(wěn)定的SEI層對電池的功能是有利的。
但在鋰金屬電池中，每次電池充電時，陽極表面都會沉積一層薄薄的金屬鋰，這層金屬鋰在歷時老化過程中為腐蝕提供了一個新鮮的表面。此外，"我們發(fā)現(xiàn)這些陽極上的SEI層生長得更積極，這是因為與電解液發(fā)生了更積極的化學反應，"Huang說。
他們測試的每一種電解液都會產(chǎn)生獨特的SEI生長模式，有些會形成團塊、薄膜或兩者兼而有之，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。
尋找平衡點
崔永元說，與預期相反，原本可以支持高效充電的電解質(zhì)，卻和性能不佳的電解質(zhì)一樣，容易因日歷老化而導致效率下降。沒有一種電解質(zhì)化學成分能同時做好兩件事。
因此，要想最大限度地減少日歷老化，面臨的挑戰(zhàn)將是最大限度地減少電解液的腐蝕性和陽極表面的鋰金屬所能攻擊的范圍。
"真正重要的是，這給我們提供了一種研究哪些電解質(zhì)最有前途的新方法，"Bao說。"它指出了一個新的電解質(zhì)設計標準，以實現(xiàn)我們在下一代電池技術中所需要的參數(shù)。"
