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X射線成像表明固態電池斷裂的原因 或有助于提升電池設計

鉅大LARGE  |  點擊量:1090次  |  2019年10月18日  

作者:GeorgiaInstituteofTechnology


固態電池—一種使用全固態元件的新型電池設計—近年來受到了人們的關注,因為固態電池在保持更多能量的同時避免了液態電池的安全挑戰。


但是制造一個持久的固態電池說起來容易做起來難。現在,佐治亞理工學院的研究人員已經使用X射線計算機斷層掃描(CT)來實時顯示電池中材料界面邊緣附近的裂紋是如何形成的。這一發現有助于研究人員找到改善儲能裝置的方法。


“固態電池可能比鋰離子電池更安全,并可能擁有更多的能量,這將是電動汽車甚至電動飛機的理想選擇,”佐治亞理工學院材料科學與工程學院的助理教授馬修·麥克道爾說。從技術上講,這是一個快速發展的領域,有很多公司對此感興趣。”


在典型的鋰離子電池中,鋰離子通過液體電解質在兩個電極(陰極和陽極)之間傳遞時釋放能量。


這項研究發表在6月4日的《ACS能源快報》上,由國家科學基金會贊助,研究小組建立了一個固態電池,其中固體陶瓷盤被夾在兩片固體鋰之間。陶瓷盤取代了典型的液體電解質。


麥克道爾說:“要想弄清楚如何使這些堅固的部件組合在一起,并在長時間內表現良好,這是一個挑戰。我們正在研究如何設計這些固體部件之間的接口,以使它們盡可能長時間地使用。”


與佐治亞理工學院的助理教授、X射線成像專家克里斯托弗·薩爾達納合作,研究人員將電池置于X射線顯微鏡下,對其進行充電和放電,尋找表明電池退化的物理變化。經過幾天的緩慢過程,整個盤上形成了網狀裂紋。


這些裂紋是問題所在,并伴隨著鋰金屬和固體電解質之間的界面層的生長而出現。研究人員發現,這種在循環過程中的斷裂導致了對離子流動的阻力。


麥克道爾說:“這些是發生在界面上的不必要的化學反應。”人們通常認為這些化學反應是導致細胞退化的原因。但是我們通過成像了解到,在這種特殊的材料中,不好的不是化學反應本身——它們不會影響電池的性能。壞的是,細胞破裂,破壞了細胞的性能。”


解決壓裂問題可能是釋放固態電池潛能(包括其高能量密度)的第一步。研究人員指出,所觀察到的劣化可能會影響其他類型的固態電池,因此這一發現可能會引導設計更耐用的界面。


麥克道爾說:“在普通的鋰離子電池中,我們使用的材料決定了我們能儲存多少能量。純鋰的含量最高,但在液體電解質中效果不佳。但是,如果你能將固體鋰與固體電解質結合使用,這將是能量密度的圣杯。”


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