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锂金属电极如何老化,即使设备关闭,其电池也会逐渐失去电量,并最终失去部分存储能量的能力
2021年08月03日    阅读量:2318     新闻来源:中国机械网 okmao.com    |  投稿

即使在关闭手机时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是一个问题,锂金属电池正在开发用于下一代更小、更轻的电子设备、远程电动汽车和其他使用。


现在,斯坦福大学和能源部 SLAC 国家加速器实验室的科学家们首次在原子尺度上研究了这个称为“日历老化”的过程如何攻击锂金属阳极或负极。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——在开发可最大限度提高电池性能的电解质时需要考虑这一因素中国机械网okmao.com


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该研究还表明,日历老化可以在短短 24 小时内消耗 2-3% 的锂金属电池电量——而锂离子电池则需要三年时间才能消耗掉电量。尽管这种电荷渗漏会随着时间的推移而减慢,但它会迅速累积,并将电池的使用寿命缩短 25%。


“我们的工作表明,电解液可以对储存电池的稳定性产生很大的影响,”SLAC 和斯坦福大学教授崔毅说,他与斯坦福大学教授珍南一起领导了这项研究。“这是人们并没有真正花时间观察或使用的一种方式来了解正在发生的事情。”


研究小组今天在《自然能源》中描述了他们的结果。


用于远距离汽车的更轻的电池


与今天的锂离子电池一样,锂金属电池使用锂离子在电极之间来回传输电荷。但是锂离子电池的阳极由石墨制成,而锂金属电池的阳极由锂金属制成,锂金属更轻,并且有可能在给定的体积和重量下储存更多的能量。这对于电动汽车尤其重要,因为电动汽车需要消耗大量能量来搬运沉重的电池。减轻他们的负担可以降低他们的成本并增加他们的行驶里程,使他们对消费者更具吸引力。


美国能源部的电池 500 联盟,包括 SLAC 和斯坦福大学,其目标是为电动汽车开发锂金属电池,其单位重量的电量几乎是当今电动汽车电池的三倍。尽管他们在提高这些电池的能量密度和寿命方面取得了很大进展,但仍有很长的路要走。他们还在努力解决枝晶问题,即阳极上的手指状生长物,这会使电池短路并着火。


在过去的几年里,SLAC 斯坦福大学材料与能源科学研究所的研究员 Bao 和 Cui 联手寻找解决这些问题的方法,包括一种防止锂金属负极枝晶生长的新涂层和新的电解质也可以防止枝晶生长。


Cui 实验室的博士生 David Boyle 说,大多数此类研究都集中在最大限度地减少重复充电和放电造成的损坏,这会使电极拉伤和破裂,并限制电池的工作寿命。


但在这项研究中,他说,该团队想要测试具有不同化学成分的各种电解质,以了解锂金属阳极如何老化的一般情况。


侵蚀性腐蚀


首先,Boyle 测量了包含各种电解质的锂金属电池的充电效率。然后,他和博士生 William Huang 小心地拆解已充满电并放置一天的电池,取出阳极并在液氮中快速冷冻,以在日历老化过程中的特定时间点保持其结构和化学性质。


接下来,黄在斯坦福大学校园用低温电子显微镜或冷冻电镜检查了阳极,以了解各种电解质如何在接近原子尺度上影响阳极。这是崔的团队几年前开创的一种研究电池组件内部寿命的方法。


在当今的锂离子电池中,电解质会腐蚀阳极表面,形成一层称为固体电解质中间相或 SEI 的层。这一层既是 Jekyll 又是 Hyde:它消耗了少量的电池容量,但也保护了阳极免受进一步腐蚀。因此,总的来说,平滑、稳定的 SEI 层有利于电池运行。


但在锂金属电池中,每次电池充电时,都会在阳极表面沉积一层薄薄??的锂金属,该层在日历老化过程中为腐蚀提供了新的表面。此外,“我们发现,由于与电解质发生更剧烈的化学反应,我们发现这些阳极上的 SEI 层生长得更猛烈,”黄说。


他们测试的每种电解质都会产生一种独特的 SEI 生长模式,一些形成团块、薄膜或两者兼而有之,而这些不规则的生长模式与更快的腐蚀和充电效率的损失有关。


寻找平衡


崔说,与预期相反,本来可以支持高效充电的电解质与性能不佳的电解质一样容易因日历老化而导致效率下降。没有一种电解质化学能同时做好这两件事。


因此,为了最大限度地减少日历老化,面临的挑战将是最大限度地减少电解质的腐蚀性和阳极表面上锂金属可能受到侵蚀的程度。


“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,”鲍说。“它指出了一种新的电解液设计标准,以实现我们下一代电池技术所需的参数。”


这项研究得到了美国能源部车辆技术办公室的电池材料研究计划和电池 500 联盟的支持。部分工作是在斯坦福纳米共享设施进行的。


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