美国研发新型柔软固体电解质 可改善锂金属电池增加电动汽车续航
时间:2020-08-21 11:51来源:盖世汽车 作者:余秋云
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图片来源：劳伦斯伯克利国家实验室
但是，虽然锂金属可以将电动汽车的续航增加30%至50%，其也会缩短电池的使用寿命。因为会产生锂枝晶（树突），即电池多次充放电循环后在锂阳极上形成的微小的树状缺陷。更糟糕的是，如果树突与阴极接触，还会导致电池短路。
几十年来，研究人员一直认为坚硬的固体电解质，如陶瓷制成的电解质，最能防止树突穿透电池。不过，很多人也发现，此种方法的问题在于，其没有从一开始就阻止树突的“形成”或“成核”，就像最终会在汽车挡风玻璃上扩散的小裂缝一样。
现在，据外媒报道，美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室（Berkeley Lab）的研究人员与卡内基梅隆大学（Carnegie Mellon University）合作，研发了一种新型的柔软固体电解质。此种电解质由聚合物和陶瓷制成，可以在树突扩散以导致电池失效之前，抑制树突在早期成核。
该项技术是伯克利国际实验室在其用户设施开展多学科合作，研究新想法，以组装、表征和研发用于固态电池中的材料和设备的一个示例。
固态储能技术，如采用固态电极和固态电解质的固态锂金属电池，既具有高能量密度，也具有优异的安全性，但是该技术还需要克服各种与材料和加工相关的挑战。研究人员则表示，采用新电解质研发出的锂金属电池甚至可以用于驱动电动飞机。
设计此种柔软固体电解质的关键是采用了具有微孔的软聚合物（PIM），其孔隙由纳米大小的陶瓷颗粒填充。由于该电解质仍然是一种灵活、柔软的固体材料，电池制造商可以将该电解质作为一个层压板，在阳极和电池隔膜之间制造出一卷锂箔。此类锂电极子组件（LESA）是一种很有前景的替代品，可直接取代传统的石墨阳极，让电池制造商得以采用现有的生产线生产新电池。
为了展示新款PIM复合材料电解质的树突压制性能，研究人员采用伯克利国家实验室先进光子源（Berkeley Lab's Advanced Light Source）的X射线，创建锂金属和电解质之间界面的3D图像，并将在高电流下长达16个小时的锂电镀和锂剥离过程实现可视化。当新的PIM复合电解质出现时，可以观察到锂在连续平稳地增长；当没有此种电解质时，界面显示出树突开始早期生长的迹象。
上述结果和其他数据都证实了锂金属电沉积物理模型的预测，该模型既考虑到了固体电解质的化学特性，也考虑到了机械特性。
研究人员表示：“虽然电动汽车和电动垂直起降飞机（eVTOL）等具有独特的功率要求，但是PIM复合固体电解质技术是多功能的，可以在高功率下工作。”
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