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锂金属电极如何老化的第一个特写
2021年03月26日    阅读量:471    新闻来源:中国机械网 okmao.com  |  投稿

即使关闭手机,也会耗尽手机电池电量的相同过程对于锂金属电池来说更成问题,锂金属电池是为下一代更小,更轻的电子设备,广泛的电动汽车和其他设备而开发的。用途。


锂金属电极如何老化的第一个特写 中国机械网,okmao.com


现在,斯坦福大学和能源部的SLAC国家加速器实验室的科学家已经对原子级进行了首次原子尺度研究,该过程称为“日历老化”,如何侵蚀锂金属阳极或负极中国机械网okmao.com


他们发现,在电极之间携带电荷的电池电解质的性质对老化有很大影响-在开发使电池性能最大化的电解质时,必须考虑这一因素。


研究还表明,日历老化可以在短短24小时内消耗掉2-3%的锂金属电池电量,而锂离子电池则需要3年的时间。尽管这种电荷渗漏会随着时间的流逝而减慢,但它会迅速累加起来,并将电池的寿命缩短25%。


SLAC和斯坦福大学教授珍妮·鲍(Zhenan Bao)领导该研究的斯坦福大学教授伊翠说:“我们的工作表明,电解质可以大大改善蓄电池的稳定性。” “这是人们真正没有花时间去看或用来理解正在发生的事情的东西。”


该研究小组今天在《自然能源》中描述了他们的研究结果。


适用于远程汽车的较轻电池


像今天的锂离子电池一样,锂金属电池也使用锂离子在电极之间来回传递电荷。但是,在锂离子电池的阳极由石墨制成的情况下,锂金属电池的阳极由锂金属制成,这种阳极的重量轻得多,并且在给定的体积和重量下可以存储更多的能量。


对于电动汽车而言,这一点尤其重要,因为电动汽车会花费大量能量来拖累沉重的电池。减轻负荷可以降低成本并增加行驶里程,从而使其对消费者更具吸引力。


下一代锂金属电池会经历快速的日历老化,即使不使用时,也会耗尽电池电量并降低其存储能量的能力。


当电池电解质腐蚀充电过程中在阳极上形成的锂金属阳极颗粒(左上)或锂金属细丝时,会发生这种情况。腐蚀会产生一层不规则的团块,称为SEI(左下和右下)。SLAC国家加速器实验室和斯坦福大学的一项研究发现,某些电解液比其他电解液更能导致这种破坏性腐蚀。


美国能源部的电池500联盟(包括SLAC和斯坦福大学)的目标是开发用于电动汽车的锂金属电池,其每单位重量可存储的电荷几乎是当今EV电池的三倍。


尽管他们在提高这些电池的能量密度和使用寿命方面取得了很大进步,但仍有路要走。他们还努力解决树枝状晶体的问题,树枝状晶体在阳极上的生长会导致电池短路并着火。

 

过去几年中,SLAC斯坦福大学材料与能源科学研究所的研究人员Bao和Cui联手寻找了解决这些问题的方法,其中包括防止锂金属阳极上枝晶生长的新涂层和防止腐蚀的方法。还可以防止树枝状晶体生长的新电解质。


戴维·博伊尔(David Boyle)博士说,大多数此类研究的重点是最大程度地减少重复充电和放电造成的损坏,这些损坏会使电极变形和破裂,并限制电池的使用寿命。崔实验室的学生。


他说,但是在这项研究中,研究小组希望测试具有不同化学组成的多种电解质,以大致了解锂金属阳极的老化方式。


腐蚀性腐蚀


首先,博伊尔(Boyle)测量了包含各种电解质的锂金属电池的充电效率。然后他和他的博士。学生威廉·黄(William Huang)小心地拆除了已充满电的电池,并放置了一天的时间,取出了阳极,并在液氮中快速冻结了它,以在日历老化过程中的特定时刻保持其结构和化学性质。


接下来,Huang在斯坦福大学的校园里用低温电子显微镜(cryo-EM)检查了阳极,以了解各种电解质如何以接近原子尺度的方式影响阳极。Cui的小组几年前率先采用这种方法来研究电池组件的内部寿命。


每次锂金属电池充电时,都会在其阳极上沉积一层新鲜的锂金属。电池的电解液腐蚀了这种新鲜金属(左图),在阳极表面形成了一层称为SEI的层。


斯坦福大学的一项研究显示,即使在关闭电池后,腐蚀仍会继续(右),并且SEI层在称为“日历老化”的过程中会变得不规则且结块,该过程可在短短24小时内消耗掉电池电量的2-3%。大学和SLAC国家加速器实验室。这些图像是用低温电子显微镜或cryo-EM制成的。


在当今的锂离子电池中,电解质腐蚀阳极表面,形成一层称为固体电解质中间相或SEI的层。


该层既是Jekyll层,也是Hyde层:它消耗少量的电池容量,但也可以保护阳极免受进一步腐蚀。因此,总的来说,光滑,稳定的SEI层对电池功能有利。


但是在锂金属电池中,每次电池充电时,阳极表面都会沉积一层薄薄??的锂金属,该层为压延老化提供了一个新的腐蚀表面。此外,“我们发现,由于与电解液的化学反应加剧,SEI层在这些阳极上的生长更加活跃。”


他们测试的每种电解质都会产生独特的SEI增长模式,有些会形成团块,膜或同时形成两者,而那些不规则的增长模式会导致腐蚀加快和充电效率降低。


寻找平衡


与预期相反,原本可以支持高效充电的电解质由于日历老化而导致的效率下降与性能不佳的电解质一样容易。没有一种电解质化学能很好地完成这两项工作。


因此,要使压延老化最小化,挑战将是使电解质的腐蚀性和阳极表面上锂金属可能侵蚀的程度最小化。


鲍说:“真正重要的是,这为我们提供了一种研究哪种电解质最有前途的新方法。” “它为实现下一代电池技术所需的参数指出了新的电解液设计标准。”


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