中國航空報訊：帶有固體電解質(zhì)的新型鋰金屬電池重量輕，易燃，可儲存大量能量，而且可以很快充電，但由于會發(fā)生不可預(yù)料的短路和故障，它們一直發(fā)展緩慢?，F(xiàn)在，斯坦福大學(xué)和SLAC國家加速器實驗室的研究人員說他們已經(jīng)解開了這個謎團(tuán)，它被歸結(jié)為應(yīng)力——更準(zhǔn)確地說，是機(jī)械應(yīng)力——特別是在電流較大的充電過程中。

(資料圖)

研究作者William Chueh解釋說，只要電池有輕微的壓痕、彎曲或扭曲，就會導(dǎo)致材料中的納米級裂縫打開，鋰就會侵入固體電解質(zhì)中，導(dǎo)致其短路。即使是制造過程中引入的灰塵或其他雜質(zhì)也能產(chǎn)生足夠的壓力導(dǎo)致故障，他與機(jī)械工程系助理教授Wendy Gu 一起指導(dǎo)了這項研究。

固體電解質(zhì)失效的問題并不新鮮，許多人都研究過這種現(xiàn)象。關(guān)于到底是什么原因的理論眾說紛紜。有些人說是電子的意外流動造成的，而其他人則指出是化學(xué)反應(yīng)造成的。然而，還有人理論上認(rèn)為是不同的力量在起作用。

在1月30日發(fā)表在《自然-能源》雜志上的一項研究中，共同牽頭人Geoff McConohy、Xin Xu和Teng Cui通過嚴(yán)格的、具有統(tǒng)計學(xué)意義的實驗解釋了納米級缺陷和機(jī)械應(yīng)力如何導(dǎo)致固體電解質(zhì)失效。世界各地試圖開發(fā)新的固體電解質(zhì)可充電電池的科學(xué)家們可以圍繞這個問題進(jìn)行設(shè)計，甚至將這一發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化為他們的優(yōu)勢，正如這個斯坦福大學(xué)團(tuán)隊的大部分人現(xiàn)在正在研究的那樣。能量密集、快速充電、不易燃的鋰金屬電池能夠持續(xù)很長時間，可以克服廣泛使用電動汽車的主要障礙，還有許多其他好處。

今天許多領(lǐng)先的固體電解質(zhì)是陶瓷的。它們能夠?qū)崿F(xiàn)鋰離子的快速傳輸，并將儲存能量的兩個電極物理分離。最重要的是，它們是防火的。但是，就像我們家里的陶瓷一樣，它們的表面會出現(xiàn)微小的裂縫。

研究人員通過60多個實驗證明，陶瓷經(jīng)常出現(xiàn)納米級的裂縫、凹痕和裂紋，許多裂紋的寬度不到20納米。Chueh和他的團(tuán)隊表示，在快速充電期間，這些固有的裂縫會打開，允許鋰侵入。

在每個實驗中，研究人員將一個電探針施加到固體電解質(zhì)上，形成一個微型電池，并使用電子顯微鏡實時觀察快速充電。隨后，他們用離子束作為“手術(shù)刀”，了解為什么鋰在某些地方如愿以償?shù)鼐奂谔沾杀砻妫谄渌胤絼t開始鉆入，越鉆越深，直到鋰在固體電解質(zhì)上搭橋，形成短路。

差異在于壓力。當(dāng)電探針僅僅接觸到電解質(zhì)的表面時，即使電池在不到一分鐘內(nèi)被充電，鋰也會聚集在電解質(zhì)上面。然而，當(dāng)探針壓入陶瓷電解質(zhì)，模仿壓痕、彎曲和扭曲的機(jī)械應(yīng)力時，電池短路的可能性更大。

現(xiàn)實世界中的固態(tài)電池是由一層又一層的陰極-電解質(zhì)-陽極片疊加而成。電解液的作用是將陰極和陽極物理隔離，但允許鋰離子在兩者之間自由移動。如果陰極和陽極以任何方式接觸或電性連接，如通過金屬鋰的隧道，就會發(fā)生短路。

正如Chueh和團(tuán)隊所展示的那樣，即使是細(xì)微的彎曲、輕微的扭曲，或夾在電解質(zhì)和鋰陽極之間的灰塵斑點，都會造成難以察覺的縫隙。

McConohy說：“如果有機(jī)會鉆進(jìn)電解質(zhì)，鋰最終會蜿蜒穿過，連接陰極和陽極。當(dāng)這種情況發(fā)生時，電池就會失效?！?/p>

研究人員使用掃描電子顯微鏡記錄了這一過程的視頻——正是這些顯微鏡無法看到未經(jīng)測試的純電解質(zhì)中的新生裂縫。這有點像原本完美的路面上出現(xiàn)坑洞的方式。通過雨和雪，汽車輪胎將水打入路面上預(yù)先存在的微小缺陷中，產(chǎn)生不斷擴(kuò)大的裂縫，并隨著時間的推移而增長。鋰實際上是一種軟材料，但是，就像坑洞中的水一樣，它所需要的只是壓力來擴(kuò)大隱患并導(dǎo)致故障。

有了他們的新認(rèn)識，Chueh的團(tuán)隊正在研究如何在制造過程中有意使用這些相同的機(jī)械力來強(qiáng)化材料，就像鐵匠在生產(chǎn)過程中對刀片進(jìn)行退火。他們還在研究如何在電解質(zhì)表面涂上一層涂層，以防止出現(xiàn)裂縫或在出現(xiàn)裂縫時對其進(jìn)行修復(fù)。

關(guān)鍵詞： 金屬電池 快速充電