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科學家發現鋰電池產生枝晶的罪魁禍首 竟跟電解質中某些物質有關!

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2019年10月30日  

據外媒報道,科學家們發現了鋰離子電池中針狀結構(即樹突和枝晶)生長的根本原因,此種結構有時會導致鋰離子電池短路、故障甚至起火。


(圖片來源:西北太平洋國家實驗室)


美國能源部西北太平洋國家實驗室(DepartmentofEnergy'sPacificNorthwestNationalLaboratory,PNNL)的一個研究小組發現,電池電解質(使電池發生關鍵化學反應的液體材料)中某些化合物促進了樹突和枝晶的生長。研究小組希望該發現可以促進新方法的研發,最終通過控制電池成分組織樹突和枝晶的生長。


樹突是一種微小、堅硬的樹狀結構,會在鋰電池中生長,其針狀突起的部分稱為枝晶。兩種東西都會造成巨大傷害,能夠穿透電池內部的隔膜,就像雜草可以穿透水泥露臺或鋪好的道路一樣。而且,此類物質還會增加電解質與鋰之間的不良反應,加速電池失效。鋰金屬電池的能量密度比常用的鋰離子電池更高,不過,樹突和枝晶的存在阻礙了鋰金屬電池的普及。


PNNL團隊發現,鋰金屬電池中的枝晶源于“SEI”膜(固態電解質中間相),即陽極固態鋰表面與液態電解質之間的薄膜。此外,科學家們還發現了枝晶生長的罪魁禍首:碳酸乙烯。碳酸乙烯是一種不可或缺的溶劑,可添加到電解質中以提高電池性能。結果證明,正是碳酸乙烯讓電池容易損壞。


研究人員為該研究專門設計了納米大小的鋰金屬電池,再采用視頻一步步地展示了電池中枝晶的生長過程。


當鋰離子開始在陽極聚集或“成核”時,樹突就開始形成,一開始是粒子大小,表示了樹突的誕生。隨著越來越多的鋰原子聚集在一起,該結構就會慢慢生長,猶如石筍從洞穴底部生長出來一樣。研究小組發現,SEI表面的能量動力會將更多鋰離子推向緩慢增長的樹突柱上。然后,突然,一根枝晶長出來了。


對于該團隊來說,捕捉枝晶生長出來的瞬間并不容易。為此,科學家們結合使用了原子力顯微鏡(AFM)和環境投射電子顯微鏡(ETEM)。ETEM是一種非常珍貴的儀器,可以讓科學家們在真實條件下研究電池的工作狀態。


該團隊采用AFM測量了枝晶生長時的微小力量,并且通過將AFM的懸臂頂部向下壓,測量出枝晶生長的力量,并且測量了枝晶生長過程中樹突對其施加的力量。


研究小組發現,碳酸乙烯的含量與樹突和枝晶的生長有直接關系。研究小組在電解質中添加的碳酸乙烯越多,就會生長越多的枝晶。科學家們利用電解質混合物做實驗,改變其成分,以減少樹突,例如,研究人員添加了環已酮,就可以阻止樹突和枝晶的生長。


了解電池中枝晶產生和生長的原因,可以為消除枝晶或者控制枝晶,最終防止電池損害提供新思路。研究人員表示,更深入地了解電池枝晶將有助于為鋰金屬電池在電動汽車、筆記本電腦、手機和其他領域的廣泛應用掃清道路。


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