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锂枝晶生长奥秘已被破解!有望造出更耐用的固态电池

时间:2023-05-29 08:47:42

来源:CBC金属网

5月26日讯,“固态电池”与常规锂离子电池不同的是,它们用一种完全固体的材料,比如陶瓷离子导体,取代了液体核心——也就是电解质。因此,它们具有许多优点,如机械坚固,不易燃,易于小型化,耐温度波动。

然而,固态电池在经过几次充放电循环后就会出现问题:虽然电池的正极和负极在开始时仍然是相互分离的,但它们最终会在电池内部相互连接:“锂枝晶”会慢慢生长。这些锂枝晶在每次充电过程中逐步生长,直到两极连接。

枝晶生长最终导致的结果是:电池短路并“死亡”。然而,到目前为止,在这个过程中发生的确切物理过程还没有被很好地理解。

现在,马克斯普朗克聚合物研究所的科学家团队已经解决了这个问题,并使用一种特殊的显微镜方法来更详细地研究这一过程。他们详细研究了固态电池生命周期,以延长其寿命,以期实现更耐用的电池。

据悉,他们研究了锂枝晶从何处开始生长的问题。该团队特别研究了陶瓷固体电解质中所谓的“晶界”。这些边界是在固体层的生产过程中形成的:陶瓷晶体中的原子基本上非常规则地排列。然而,由于晶体生长中的微小随机波动,会在原子不规则排列的位置形成线状结构,即所谓的“晶界”。

由于电子(即负电荷粒子)的积累,带正电的锂离子在固体电解质中运动,可以被还原成金属锂。其结果是,锂沉积和锂枝晶形成。如果重复充电过程,枝晶将继续生长,直到最后连接电池的两极。这种枝晶生长初始阶段的形成仅在负极观察到,但在相反的正极没有观察到生长。

科学家们希望,随着对生长过程的精确理解,他们也将能够开发出有效的方法来防止或至少限制枝晶的生长,以便将来也可以在其他领域使用更安全的锂固态电池。

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