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      研究人員探討鋰金屬電極老化概況

      2021/03/25 16:17 作者: 信息來源:蓋世汽車

        哪怕手機關機了,電池最后也會沒電的。在遠距離電動汽車使用的鋰金屬池中,也存在同樣的問題。據外媒報道,斯坦福大學(Stanford University)和美國能源部SLAC國家加速器實驗室(SLAC National Accelerator Laboratory)的科學家們,首次從原子層面觀察這種被稱為“存儲老化”(calendar aging)的過程如何攻擊鋰金屬負極。研究人員發現,在電池老化過程中,在兩個電極之間攜帶電荷的電解液具有很大的影響力。

      電池,斯坦福大學,SLAC實驗室,電解液,鋰金屬電池,枝晶

      (圖片來源:SLAC)

        研究顯示,經過短短24小時,存儲老化就可以消耗鋰金屬電池2-3%的電量。而在鋰離子電池中,這需要三年的時間。盡管這種電荷損失的現象會逐漸減緩,但累加起來可能使電池壽命縮短25%。SLAC和斯坦福大學教授 Yi Cui表示:“我們的研究表明,電解液對存儲電池的穩定性影響很大?!?

        與鋰離子電池一樣,鋰金屬電池通過鋰離子在電極之間來回運送電荷。然而,鋰離子電池的負極用石墨制成,而鋰金屬電池的負極是由鋰金屬制成。相比之下,鋰金屬電池要輕得多,而且在既定體積和重量下,有可能儲存更多的能量。對于電動汽車來說,這具有重要意義,有助于降低成本,并增加續航里程。

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        下一代鋰金屬電池經歷快速的存儲老化,即使不使用電池,也會耗盡電量,并降低其儲存能量的能力。

        美國能源部的電池500聯盟(包括SLAC和斯坦福在內)的目標是開發可用于電動汽車的鋰金屬電池,使其重量能量密度大約達到現有電池的三倍。他們在提高電池能量密度和壽命方面取得了很大進展,但仍有很多問題有待解決,如負極上的枝晶生長問題,可能導致電池短路并著火。

        過去幾年,研究人員一直在尋找解決這些問題的方案,包括防止鋰金屬負極生長枝晶的新涂層,以及一種能防止枝晶生長的新電解液。研究人員David Boyle表示,這方面的研究大多集中在如何減少反復充放電造成的損害上,因為反復充放電會使電極產生應變和裂紋,影響電池的工作壽命。在本項研究中,研究小組希望,通過測試各種具有不同化學成分的電解液,了解鋰金屬負極老化的概況。

        首先,Boyle測量了含不同電解液的鋰金屬電池的充電效率。然后,研究人員小心翼翼地拆卸已充滿電的電池,靜置一天后取出負極,使其在液氮中速凍,以保留其在存儲老化過程中特定時間點的結構和化學成分。接下來,使用低溫電子顯微鏡(Cryo-EM)檢測負極,以觀察各種電解質在接近原子的尺度上對負極的影響。這是Cui的團隊在幾年前首創的一種方法,用于研究電池組件的內部活動狀態。

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        每次鋰金屬電池充電時,負極上都會沉積一層新的鋰金屬。電解液會腐蝕這種新金屬面(左),在負極表面形成SEI層。研究顯示,即使不使用電池,腐蝕仍在繼續(右),經過存儲老化,SEI層變得不規則和結塊。

        在目前的鋰離子電池中,因為電解液腐蝕,負極表面會形成固體電解質界面膜(SEI),這會消耗少量的電池容量,但能保護負極不受進一步的腐蝕??偟膩碚f,平滑、穩定的SEI層有利于電池正常工作。但鋰金屬電池充電時,負極表面都會沉積一層薄薄的鋰金屬,為存儲老化過程中的腐蝕提供新的表面。在測試過程中,每種電解液都會導致產生一種獨特的SEI生長模式,有些會形成塊狀或薄膜,或者兩者兼而有之。這些不規則的生長模式與腐蝕速度加快和充電效率損耗相關聯。

        與預期相反,與表現不佳的電解液一樣,原本支持高效充電的電解液也會因存儲老化而出現效率下降。因此,要最大限度地減輕存儲老化現象,其挑戰在于將電解液的腐蝕性和負極表面鋰金屬的腐蝕程度降至最低。研究人員表示:“真正重要的是,我們擁有了一種新的電解質研究方式。這為獲得下一代電池技術所需的參數,提出了一種新的電解質設計準則?!?



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