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更快充、更可靠的固态电池方法

发布时间:2022/7/20 阅读:1371

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上图(a)表示具有不连续界面的锂金属固态电池。这些空隙与不连续是通过固态电解质生长枝晶的主要驱动因素,这会使器件短路。可通过某些金属组成适当的夹层来最小化这些空隙。

在电解质中添加某些金属可以制造出比现在更耐用的电池,使用寿命更长,充电速度更快。

研究人员表示,他们发现了固态锂电池失效的一个关键原因,通过这个原因研发制定了一种更持久电池的战略计划,这种电池比目前的电池具有更快充电速度。


印度科学研究所(IISc)的研究团队对固态电池内的枝晶进行了查验,他们认为这是目前在大多数设备中使用的锂离子电池的可行替代品。


研究人员意识到,在其中一个电极上早期出现的微小空隙可能是形成枝晶的关键原因,这些细小的枝晶穿刺电极与电解质之间的屏障。枝晶可引起电池短路,导致电池出现故障,这就是为什么科学家多年来一直要找出问题的根本原因。 


IISc研究所的固态与化学结构(SSCU)助教兼项目负责人Naga Phani Aetukuri解释道:“这意味着现在我们制造优质电池的任务是非常简单的。我们所需要的是确保电池内部没有空隙形成。”


然而,说起来容易,做起来难。IISc研究团队通过他们的发现研发了一项技术,在电解质表面添加一层薄薄的金属,他们表示该技术可以明显减少空隙的形成。据研究人员汇报,该解决方案还可以延长研发的固态电池的寿命,以及能够更快充电。


观察电池内部

在目前的锂离子电池设计中,固态电池将液体电解液换成了固体陶瓷电解质,同时也将用于阳极的石墨换成了金属锂。


在更高的温度下,陶瓷电解质往往比其他材料电解质表现得更好,这在进行这项研究的国家尤其有用。锂要比石墨更轻,可以储存更多的电荷,这可以显著降低电池成本。


Aetukuri表示,不幸的是,与液体电解液一样,固态电池也面临着枝晶生长到固体电解质中,导致正极和负极短路的问题。


调查研究为什么会发生此类情况,Aetukuri的博士研究生Vikalp Raj通过反复给数百块电池充电,分割锂电解质界面内的薄片,在扫描电子显微镜下对其进行检查,人工诱导了枝晶的形成。


研究人员说,这就是该团队如何了解到,在放电过程中,锂阳极中形成的边缘有电流的微观空洞比电池平均电流大约1万倍。他们说,这对固体电解质造成了压力,并加速了枝晶的生长。


解决方案

Aetukuri表示,为了解决这个问题,研究人员在锂阳极和固体电解质之间放置了一层超薄的难熔金属,作为屏蔽层,以保护固体电解质免受压力,并重新分配电流。难熔金属是耐热和耐磨的金属。


对于项目这一方面,来自印度的团队与卡内基梅隆大学的研究人员合作,后者进行了计算分析。研究人员说,这向研究团队证明,难熔金属层确实延缓了微观锂空洞的生长。


该团队将工作论文发表在《Nature Materials》杂志上。研究人员表示他们的工作是研发固态电池的关键一步,这种电池可以在商业上与液体电解液的锂离子电池竞争。而且,他们的工作还可以扩展到其他种类的电池,例如钠、锌、镁等金属。


中国化学与物理电源行业协会 杨柳翻译

2022.7.15

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