研究人员弄清楚如何让固态电池充电更快、使用寿命更长
时间:2022-09-14 08:46来源:绿色合规专家 作者:综合报道
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一个国际研究团队设计了一种新的策略，可以让固态电池续航时间更长、充电速度更快。
在《自然材料》(Nature Materials)杂志上发表的一项研究中，研究人员解释说，就目前的技术水平而言，固态电池在反复使用后会产生树枝状突起，这种情况会导致电池短路，使其失效。
根据科学家们的说法，这种树突形成的根本原因是电极中一个电极早期出现的微观空洞。
在他们的论文中，他们还表明，在电解液表面添加一层薄薄的金属可以显著延迟枝晶的形成，延长电池的寿命，并使其充电更快。
固态电池将锂离子器件中常见的液体电解质换成固体陶瓷电解质，并将石墨换成金属锂。陶瓷电解质在更高的温度下表现得更好，这在热带国家尤其有用。锂也比石墨更轻，能储存更多的电荷，这可以大大降低电池的成本。
“不幸的是，当你添加锂时，它会形成这些细丝，生长到固态电解质中，并缩短正极和阴极，”该研究的通信作者Naga Phani Aetukuri在一份媒体声明中说。
为了研究这一现象，Aetukuri的博士生Vikalp Raj通过反复给数百块电池充电，切出锂电解质界面的薄片，并在扫描电子显微镜下观察，人为地诱导了树突的形成。
当他们仔细观察这些部分时，研究小组意识到，早在树枝状晶形成之前，就发生了一些事情——在放电过程中，锂阳极形成了微观空洞。
该团队还计算出，集中在这些微观空洞边缘的电流比整个电池的平均电流大约1万倍，这可能会对固体电解质产生压力，并加速枝晶的形成。
“这意味着我们现在制造优质电池的任务非常简单，”Aetukuri说。“我们需要做的就是确保这些空洞不会形成。”
为了确保这一点，研究人员在锂阳极和固体电解质之间引入了一层超薄的难熔金属。
“耐火金属层保护固体电解质免受应力的影响，并在一定程度上重新分配电流，”Aetukuri说。
计算分析清楚地表明，耐火金属层确实延迟了微观锂空洞的生长。
施加极端的压力，将锂推向固态电解质，可以防止空隙和延迟枝晶的形成，但这可能不适用于日常应用。
其他研究人员也提出了使用铝等金属合金或与锂混合在界面上的想法。但随着时间的推移，金属层与锂混合，变得难以区分，并不能阻止枝晶的形成。
“我们说的是不同的，”Raj指出。“如果你使用钨或钼等不与锂合金的金属，电池的性能甚至会更好。”
研究人员表示，这些发现是实现实用和商业化固态电池的关键一步。
在他们看来，这一策略也可以推广到其他含有钠、锌和镁等金属的电池。
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