近日,一項美國麻省理工的研究為固態(tài)鋰電池的進一步突破性發(fā)展提供了線索。
在11月18日的《焦耳》雜志中,由美國麻省理工大學華裔科學家,蔣業(yè)明教授領導的團隊成功解釋了可充電鋰電池內鋰枝晶的形成原因,以及如何防止其穿過電解液的方法,解決了固態(tài)鋰電池發(fā)展中的難題,為設計出更輕、更緊湊、更安全的電池的邁出了重要一步。
《焦耳》是Nature子刊級別雜志,能源領域的頂級刊物。
研究指出,目前來看,可充電鋰金屬電池的商業(yè)用途還很有限,其中一個重要的原因就是鋰枝晶(樹突)。鋰枝晶是一種細長的觸須狀金屬細絲,在電池多次充放電循環(huán)后于鋰陽極上形成的微小的樹狀缺陷,如果樹突與陰極接觸,就會導致電池短路。
科學家們一直以來都致力于用鋰金屬陽極取代現(xiàn)有電池中使用的石墨陽極,鋰金屬陽極的理論容量是傳統(tǒng)石墨陽極的10倍,但是,因為樹突的存在也會大大縮短電池的使用壽命。 因此,媒體稱,麻省理工大學此次在鋰枝晶研究上的突破,是固態(tài)鋰電池發(fā)展之路上的重要里程碑。
鋰枝晶是因機械應力形成
在之前的研究中,一些研究人員認為,鋰枝晶是在純電化學過程而非是機械過程形成的,但麻省理工大學團隊在研究中發(fā)現(xiàn),導致問題的是機械應力。
電池枝晶的形成過程通常發(fā)生在不透明材料的深處,無法直接觀察到,因此研究人員開發(fā)了一種使用透明電解液制造薄電池的方法,可直接看到和記錄整個過程。
蔣業(yè)明教授說,在小組早期的研究中,他們有了一個“意想不到的”的發(fā)現(xiàn):在電池充放電的過程中,用于固態(tài)電池的電解質材料可以被鋰穿透,同時他們還發(fā)現(xiàn)鋰離子會在電池兩側來回移動,這種來回穿梭導致了電極的體積發(fā)生了變化。
蔣教授稱,這種體積上的變化使固體電解質中產(chǎn)生了機械應力,他說:
因為固體電解質必須與兩個電極保持完全接觸,因此產(chǎn)生了機械應力。
因此鋰的沉積,使電池一側的體積增加了。如果存在微小的缺陷,在電池使用的過程中,就會對這些導致開裂的微小缺陷造成壓力,產(chǎn)生鋰枝晶。
運用機械應力就可以控制鋰枝晶方向
因此,在發(fā)現(xiàn)機械應力是產(chǎn)生鋰枝晶的原因后,蔣教授團隊就開始著手研究,怎么利用機械應力控制鋰枝晶。
從此前的研究報告來看,幾十年來,研究人員一直認為堅硬的固體電解質,如陶瓷制成的電解質最能防止樹突穿透電池,也有很多人認為,需要從一開始就阻止樹突的“形成”或“成核”,否則就會像在汽車擋風玻璃上擴散的小裂縫一樣。
而蔣業(yè)明發(fā)現(xiàn),只需施加和釋放壓力,就可直接控制鋰枝晶的生長,使鋰枝晶與力的方向完全一致,并不需要消除鋰枝晶:對機械應力的運用可以引導它們與兩個電極保持平行,并防止它們穿過另一側,從而不會引起短路等現(xiàn)象。蔣教授說:
我們通過使用機械壓力來彎曲材料,以此來證明我們是可以控制鋰枝晶的生長方向的。
同時,MIT團隊還設計出在商用電池中實現(xiàn)的幾種方法。該裝置可以結合具有不同熱膨脹性能的材料來運用機械應力,或是在材料中“摻雜”嵌入原子,使其變形并處于永久的應力狀態(tài)。
而且更重要的是,實驗表明,大約在150到200兆帕斯卡的壓力足以阻止鋰枝晶穿過電解液,目前該方案是完全可以實現(xiàn)的。
原標題:麻省理工最新研究!有望引領固態(tài)鋰電池突破性發(fā)展