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研究人员探讨锂金属电极老化概况

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58京牌 哪怕手机关机了,电池最后也会没电的。在远距离使用的锂金属池中,也存在同样的问题。,斯坦福大学(Stanford University)和美国能源部SLAC国家加速器实验室(SLAC National Accelerator Laboratory)的科学家们,首次从原子层面观察这种被称为“存储老化”(calendar aging)的过程如何攻击锂金属负极。研究人员发现,在电池老化过程中,在两个电极之间携带电荷的电解液具有很大的影响力。

(图片来源:SLAC)

研究显示,经过短短24小时,存储老化就可以消耗锂金属电池2-3%的电量。而在锂离子电池中,这需要三年的时间。尽管这种电荷损失的现象会逐渐减缓,但累加起来可能使电池寿命缩短25%。SLAC和斯坦福大学教授 Yi Cui表示:“我们的研究表明,电解液对存储电池的稳定性影响很大。”

与锂离子电池一样,锂金属电池通过锂离子在电极之间来回运送电荷。然而,锂离子电池的负极用石墨制成,而锂金属电池的负极是由锂金属制成。相比之下,锂金属电池要轻得多,而且在既定体积和重量下,有可能储存更多的能量。对于来说,这具有重要意义,有助于降低成本,并增加续航里程。

下一代锂金属电池经历快速的存储老化,即使不使用电池,也会耗尽电量,并降低其储存能量的能力。

美国能源部的电池500联盟(包括SLAC和斯坦福在内)的目标是开发可用于电动汽车的锂金属电池,使其重量能量密度大约达到现有电池的三倍。他们在提高电池能量密度和寿命方面取得了很大进展,但仍有很多问题有待解决,如负极上的枝晶生长问题,可能导致电池短路并着火。

过去几年,研究人员一直在寻找解决这些问题的方案,包括防止锂金属负极生长枝晶的新涂层,以及一种能防止枝晶生长的新电解液。研究人员David Boyle表示,这方面的研究大多集中在如何减少反复充放电造成的损害上,因为反复充放电会使电极产生应变和裂纹,影响电池的工作寿命。在本项研究中,研究小组希望,通过测试各种具有不同化学成分的电解液,了解锂金属负极老化的概况。

首先,Boyle测量了含不同电解液的锂金属电池的充电效率。然后,研究人员小心翼翼地拆卸已充满电的电池,静置一天后取出负极,使其在液氮中速冻,以保留其在存储老化过程中特定时间点的结构和化学成分。接下来,使用低温电子显微镜(Cryo-EM)检测负极,以观察各种电解质在接近原子的尺度上对负极的影响。这是Cui的团队在几年前首创的一种方法,用于研究电池组件的内部活动状态。

每次锂金属电池充电时,负极上都会沉积一层新的锂金属。电解液会腐蚀这种新金属面(左),在负极表面形成SEI层。                    研究显示,即使不使用电池,腐蚀仍在继续(右),经过存储老化,SEI层变得不规则和结块。

在目前的锂离子电池中,因为电解液腐蚀,负极表面会形成固体电解质界面膜(SEI),这会消耗少量的电池容量,但能保护负极不受进一步的腐蚀。总的来说,平滑、稳定的SEI层有利于电池正常工作。但锂金属电池充电时,负极表面都会沉积一层薄薄的锂金属,为存储老化过程中的腐蚀提供新的表面。在测试过程中,每种电解液都会导致产生一种独特的SEI生长模式,有些会形成块状或薄膜,或者两者兼而有之。这些不规则的生长模式与腐蚀速度加快和充电效率损耗相关联。

与预期相反,与表现不佳的电解液一样,原本支持高效充电的电解液也会因存储老化而出现效率下降。因此,要最大限度地减轻存储老化现象,其挑战在于将电解液的腐蚀性和负极表面锂金属的腐蚀程度降至最低。研究人员表示:“真正重要的是,我们拥有了一种新的电解质研究方式。这为获得下一代电池技术所需的参数,提出了一种新的电解质设计准则。”

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