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华盛顿大学:通过确定高能量锂电池的三个关键

来源:未知 时间:2018-11-20 17:08
图片来源:Peng Bai
晶须生长被锂金属电池中的隔膜阻挡
随着人们对小型电器的需求与日俱增,我们希望电池的待机时间更长久。但是这面临着一个难题。
为了制造长寿命的电池,电池需要被制作的更大,但是对于手机或电动汽车来讲,电池的占地体积太大并不是什么好事。更不用说用在医疗领域的心脏起搏器了,我们肯定是希望电池很小,但是可以工作的时间却是很长久的。
锂离子电池的声誉已经没有那么高了:例如那些手机爆 炸和飞机起 火事件。除了这些存在的安全问题,当研究人员试图在不影响锂离子电池性能的情况下而缩小化这些电池时,结果发现这些电池会变得更加不稳定并且容易发生短路。工程师们目前还无法解决这些问题。
位于圣路易斯的华盛顿大学的研究人员对上述这些问题的原因有新的见解,该见解为日后更小,更安全,能量更密集的电池的发展奠定了基础。他们的这一科研成果近期发表在了“Joule”期刊上。
工程与应用科学学院助理教授Peng Bai已经在这些高能量锂金属电池方面确定了三个关键的临界电流。事实证明,工程师们一直在寻找解决这三个问题的方案。
锂离子电池由三层构成:一层为阳极用的低压材料(石墨);一层为阴极用的高压材料(钴酸锂);一层为多孔塑料,将阴、阳两极分开。
隔膜被液体电解质润湿。当电池放电时,锂离子从阳极排出,通过液体电解质,并进入阴极。随着电池充电,该过程相反。
Bai说:“有一半的锂离子电极材料在任何时候都是空的,这样的话就浪费了一半的空间。”
工程师们已经知道,他们可以制造出一种能量更密集的电池(具有类似输出功能的更小的电池),方法是放弃一半主机材料总是空的部分的自重。通过去除石墨阳极,然后在充电过程中用电子还原锂离子,这一过程形成了锂金属的薄镀层。
Bai说:“但是也存在锂金属镀层不均匀的现象。有时候它可能会长成手指状。”
研究人员称这些“手指状”物质为“树突”。当它们从锂金属电镀中扩散时,它们可以穿透电池中的隔膜,导致短路。
但并非所有的“手指状”物质都是一样的。“如果你将他们所有都归为一类树突,然后寻找一种解决方案来解决实际上三个问题,这是不可能的。” Bai说。“这就是为什么经过这么多年这个锂负极安全问题从未得到解决的真正原因。”
他的团队在这些锂金属阳极中发现了三种不同类型的树突或生长模式。他们还概述了当前每种树突增长模式的出现。
“如果你使用非常高的电流,它会在尖端形成一个树状结构。”Bai说。那些是“真的枝状物”。
低于电流的下限,就会从根部开始生长出胡须状的锂枝晶。在这两个极限内,存在从晶须到树枝状晶体的动态转变,Bai称之为“表面生长”。这些增长都与液体电解质和金属沉积物之间的区域中的竞争反应有关。
该研究发现,纳米多孔陶瓷隔膜可以阻挡晶须的生长直到某个电流密度值。超过该电流密度值之后,“表面生长”会缓慢的渗透到隔膜中。电流足够强大时,就会形成“真枝状物”,这种真枝状的枝晶可以容易且非常快地穿透隔膜以使电池短路。
在这一点上,Bai说:“我们独特的透明电池显示电池的电压看起来很正常,即使隔板已被锂金属丝穿透。如果没有看到内部发生的情况,你很容易被看似合理的电压愚弄,但是,事实上你的电池已经失败了。”
为了构建具有锂金属阳极的安全,高效,可靠的电池,需要通过三种不同的方法来控制锂负极凸起物的三种生长模式。
考虑到消费者需要能够储存更多能量的电池,并且同时希望它们更快地充电,这将是一个挑战。这两者的结合不可避免地产生越来越高的充电电流,这种大电流可能会超过Bai的团队所确定的临界电流之一。
而且,电池会降解。当它们出现时,为新电池确定的临界电流不再适用;电流阈值变得更低。此时,给定相同的快速充电电流,电池短路的可能性更高。
Bai说:“在非常广泛的电流范围内,电池的运行是高度动态的。然而它的性能在循环寿命中变化很大。”这就是我们必须要用三个方案解决问题的原因。
(责任编辑:子蕊)