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研究人員弄清楚如何讓固態(tài)電池充電更快、使用壽命更長

時(shí)間:2022-09-14 08:46來源:綠色合規(guī)專家作者:綜合報(bào)道

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一個(gè)國際研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種新的策略，可以讓固態(tài)電池續(xù)航時(shí)間更長、充電速度更快。

在《自然材料》(Nature Materials)雜志上發(fā)表的一項(xiàng)研究中，研究人員解釋說，就目前的技術(shù)水平而言，固態(tài)電池在反復(fù)使用后會(huì)產(chǎn)生樹枝狀突起，這種情況會(huì)導(dǎo)致電池短路，使其失效。

根據(jù)科學(xué)家們的說法，這種樹突形成的根本原因是電極中一個(gè)電極早期出現(xiàn)的微觀空洞。

在他們的論文中，他們還表明，在電解液表面添加一層薄薄的金屬可以顯著延遲枝晶的形成，延長電池的壽命，并使其充電更快。

固態(tài)電池將鋰離子器件中常見的液體電解質(zhì)換成固體陶瓷電解質(zhì)，并將石墨換成金屬鋰。陶瓷電解質(zhì)在更高的溫度下表現(xiàn)得更好，這在熱帶國家尤其有用。鋰也比石墨更輕，能儲存更多的電荷，這可以大大降低電池的成本。

“不幸的是，當(dāng)你添加鋰時(shí)，它會(huì)形成這些細(xì)絲，生長到固態(tài)電解質(zhì)中，并縮短正極和陰極，”該研究的通信作者Naga Phani Aetukuri在一份媒體聲明中說。

為了研究這一現(xiàn)象，Aetukuri的博士生Vikalp Raj通過反復(fù)給數(shù)百塊電池充電，切出鋰電解質(zhì)界面的薄片，并在掃描電子顯微鏡下觀察，人為地誘導(dǎo)了樹突的形成。

當(dāng)他們仔細(xì)觀察這些部分時(shí)，研究小組意識到，早在樹枝狀晶形成之前，就發(fā)生了一些事情——在放電過程中，鋰陽極形成了微觀空洞。

該團(tuán)隊(duì)還計(jì)算出，集中在這些微觀空洞邊緣的電流比整個(gè)電池的平均電流大約1萬倍，這可能會(huì)對固體電解質(zhì)產(chǎn)生壓力，并加速枝晶的形成。

“這意味著我們現(xiàn)在制造優(yōu)質(zhì)電池的任務(wù)非常簡單，”Aetukuri說。“我們需要做的就是確保這些空洞不會(huì)形成。”

為了確保這一點(diǎn)，研究人員在鋰陽極和固體電解質(zhì)之間引入了一層超薄的難熔金屬。

“耐火金屬層保護(hù)固體電解質(zhì)免受應(yīng)力的影響，并在一定程度上重新分配電流，”Aetukuri說。

計(jì)算分析清楚地表明，耐火金屬層確實(shí)延遲了微觀鋰空洞的生長。

施加極端的壓力，將鋰推向固態(tài)電解質(zhì)，可以防止空隙和延遲枝晶的形成，但這可能不適用于日常應(yīng)用。

其他研究人員也提出了使用鋁等金屬合金或與鋰混合在界面上的想法。但隨著時(shí)間的推移，金屬層與鋰混合，變得難以區(qū)分，并不能阻止枝晶的形成。

“我們說的是不同的，”Raj指出。“如果你使用鎢或鉬等不與鋰合金的金屬，電池的性能甚至?xí)谩?rdquo;

研究人員表示，這些發(fā)現(xiàn)是實(shí)現(xiàn)實(shí)用和商業(yè)化固態(tài)電池的關(guān)鍵一步。

在他們看來，這一策略也可以推廣到其他含有鈉、鋅和鎂等金屬的電池。

(責(zé)任編輯：子蕊)

文章標(biāo)簽：固態(tài)電池

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