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桑迪亚国家实验室进行全新纳米级研究 使锂金属电池更强大、更持久

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58京牌 研究人员一直致力于制造可靠的锂金属电池。与锂离子电池相比,这种高性能的储能电芯可以多存储50%的能量。然而,这种电池易失效,并存在易爆、易燃等安全问题,使其商用受到影响。研究人员为此提出很多原因假设,但直接证据相对较少。

(图片来源:桑迪亚国家实验室)

,在完整的锂金属纽扣电池内拍摄的首批纳米级图片,对现有主流理论提出挑战,有助于未来制造高性能电池,让更安全、更强劲,同时续航更长。

桑迪亚国家实验室(Sandia National Laboratories)的电池科学家Katie Harrison领导团队进行此项研究,以提高锂金属电池的性能。Harrison表示:“我们发现,应该使用针对锂金属进行过调整的隔板材料。”

最近,桑迪亚的研究人员与赛默飞世尔科技公司(Thermo Fisher Scientific Inc.)、俄勒冈大学(University of Oregon)和劳伦斯伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory)合作报告了这些图像。这项研究得到了桑迪亚实验室指导研究与发展项目(Sandia’s Laboratory Directed Research and Development program)和能源部(Department of Energy)的财政支持。

因内部副产物积聚而杀死电池

研究人员使用电动汽车充电时需要的高密度电流,对锂纽扣电芯进行反复充放电。一些电芯只进行少量循环,其他电芯则经过上百次循环。接着,将这些电芯送至位于俄勒冈州希尔斯伯勒(Hillsboro)的赛默飞世尔科技公司进行分析。

当研究人员察看电池内部的图像时,他们本以为会在电池表面发现针状锂沉积物。大多数电池研究人员认为,在重复循环后形成的锂尖状物(lithium spike)会穿过正负极之间的塑料隔板,从而形成导致短路的桥接。然而,锂是一种软金属,对于其如何穿过隔板,研究人员不甚明了。

令人惊讶的是,该团队发现了第二个罪魁祸首,那就是电池内部化学反应产生的副产物会形成硬堆积物。每当电池充电时,这些被称为固体电解质界面膜的副产物就会积聚。它盖住了锂,并在隔板中形成了小孔,为金属沉积物提供了开口,使其得以扩散,最终造成短路。总的来说,锂沉积物和副产物的危害,比之前想象的要大得多,它们起到的作用更像是扫雪机,而不是针。Harrison表示:“隔板被完全破坏了。”并且,只有在电动汽车技术要求快充电速率时,才会出现这种机制,但在较慢的充电速率下,没有发现这一点。

桑迪亚的研究人员计划改变隔板材料。但是,还需要进行深入研究,以减少副产物的产生。

科学家结合激光与低温学拍摄图像

找到导致纽扣电池失效的原因很难,问题在于其不锈钢外壳。因为金属外壳使外部诊断方法受限,如X射线。对于用于分析的电池部分来说,使用外部方法,可以不必撕裂电池层,并且不会破坏内部可能存在的任何证据。桑迪亚国家实验室集成纳米技术中心的纳米级成像科学家Katie Jungjohann表示:“我们拥有各种工具,可以研究电池的不同组件。然而,我们的确还没有一种工具,可以用一个图像解决所有问题。”

Jungjohann及其同事使用了一种显微镜,其中的激光可以穿透电池的外壳。显微镜与样品夹持器相连,样品夹持器用于支撑在零下100°C和零下120°C之间冷冻的电解质。激光器提供足够的开口,让窄电子束穿透并反弹到探测器上,从而提供电池内部截面的高分辨率图像,以及可以区分不同材料的所有可用细节。

实际的演示仪器是其时美国唯一的此类工具,由位于俄勒冈州的赛默飞世尔科学实验室开发并仍然可用。目前,更新的副本在桑迪亚,并将得到广泛使用,帮助解决许多材料和故障分析问题。

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