现如今,汽车和手机的电池大都是锂离子电池,锂离子电池用液体作为两电极之间的电解质,起到传导电子的作用。而使用固体电解质可使电池更安全,储存能力更好,但这样的尝试却面临着意想不到的挑战。
研究人员表示,这种电池失败的原因并不好解释。麻省理工学院京瓷陶瓷教授陈清明在“Advanced Energy Materials”杂志发表了这一新的研究成果,为开发使用固体电解质的锂电池开辟了新途径。这篇文章的共同作者还有麻省理工学院材料科学与工程教授W. Craig Carter等其他八个合作者。
电池正极和负极之间的电解质是一种填充电池三明治材料。每当电池充电或放电时,离子(带电荷的原子或分子)会穿过电解质从一个电极到另一个电极。
但是这样的液体电解质易燃,这正是这类电池引起火灾的罪魁祸首。同时它们也容易形成树突,由一个电极构成的薄的、手指状的金属突起,并且如果树突一直到达另一个电极,则可能会发生短路,损坏电池。
研究人员通过尝试使用固体材料的电解质来解决这些问题,例如某些陶瓷。这不仅解决了易燃的问题,还有许多其他的优点。同时实验表明,这种材料的特征往往并不规律,并且比预期的更容易短路。
根据这项研究,这个问题是研究人员一直专注于寻找固体电解质材料的误导根源。最普遍的想法是,材料的硬度或压力(称为剪切模量的性质)确定是否树突可以渗透到电解质中。但是新的分析表明,最重要的是表面光滑度。研究人员发现,电解液表面上的微观刻痕可以为金属沉积物提供立足之地。
Chiang说,着重于实现更平滑的表面,可以消除或大大减少电池中固体电解质中枝晶形成的问题。除了避免与液体电解质的可燃性问题之外,这种方法也可以使用固体锂金属电极。这样做会使锂离子电池的能量容量增加一倍,也就是说,它能够为给定的重量存储能量,而这对于车辆和便携式设备而言至关重要。
Chiang解释说:“枝晶的形成,会导致电路最终短路,这是锂金属可充电电池无法实现的主要原因。(锂金属电极通常用于不可充电的电池,但这是因为树枝状晶体仅在充电过程中形成。)
锂可充电电池的枝晶形成问题早在19世纪70年代就已经得到公认,“45年后这个问题还没有解决。但这个目标仍然是很有吸引力的,因为使用锂金属电极可能会使电池的容量翻倍。” Chiang说。
在过去几年中,许多团队一直在努力开发固体电解质作为使用锂金属电极的方式。Chiang说,主要分为磷化锂和金属氧化物这两类研究方向。随着所有研究工作的展开,大家最一致认为,材料需要的是硬度,而不是弹性。但这些材料在实验室的测试中往往显示出不一致和混乱的结果。
Chiang说,这个想法很有道理,更硬的材料应该更能抵抗试图挤进其表面的东西。所以在新的工作中,该团队测试了四种不同类型的潜在固体电解质材料的样品,并对充电和放电循环进行了细致的观察。最终表明,树枝状结构在硬质固体材料中实际形成的方式,与在液态电解质中的形成方式完全不同。
在固体表面上,来自其中一个电极的锂开始通过电化学反应,沉积在电解质表面上的任何微小的缺陷,包括微小的凹坑、裂纹和划痕。一旦初始沉积物形成这样的缺陷,它将继续构建,并且令人惊讶的是,积聚是从枝晶的尖端延伸而不是从其底部延伸,因为它迫使其进入固体,像一个楔形,并形成一个更大的裂缝。
Chiang说,“这些材料对其表面缺陷的数量和尺寸非常敏感,而不是本身的体积。这是导致失败的裂缝延伸。它告诉我们,我们关注更多的应该是表面的质量,关于如何平滑和无缺陷地制造这些固体电解质膜。”
斯坦福大学金属空气电池研究咨询教授Alan Luntz说:“我相信,这项高质量的新工作将重新考虑如何工程化实际的锂金属固态电池。这项研究的作者已经表明,不同的机制决定了锂固体电池中的锂金属短路,而不是液晶或聚合物锂金属电池中发生枝晶。这意味着如果锂金属固体电池永远具有实际的电流密度,那么在锂金属和电解质界面上所有结构缺陷至关重要。”虽然他并没有参与这项研究。
Luntz补充说:“我认为这是对开发实用、安全的固态电池的目标做出了非常重要的贡献。”
原文来自:news,由材料科技在线团队翻译整理。