采用固体电解质的新型锂金属电池重量轻、易燃、能储存大量能量、充电速度快，但由于神秘的短路和故障，发展缓慢。现在，斯坦福大学和SLAC国家加速器实验室的研究人员表示，他们已经解开了这个谜团。
更准确地说，这归结为应力-机械应力-特别是在强力充电期间。
“仅仅是适度的压痕、弯曲或扭曲电池就会导致材料中的纳米级裂缝打开，锂侵入固体电解质，导致短路，”工程学院材料科学与工程副教授、新斯坦福多尔可持续发展学院能源科学与工程副教授、资深作者William Chueh解释说。
“即使是在制造过程中引入的灰尘或其他杂质也能产生足够的压力导致故障，”Chueh说，他与机械工程助理教授Wendy Gu一起指导了这项研究。
固体电解质失效的问题并不新鲜，许多人已经研究了这一现象。关于究竟是什么原因，众说纷纭。一些人认为这是电子无意的流动造成的，而另一些人则认为是化学作用造成的。然而，另一些人则认为有不同的力量在起作用。
在1月30日发表在《自然能源》杂志上的一项研究中，联合主要作者Geoff McConohy、Xu Xin和Teng Cui用严格的、具有统计学意义的实验解释了纳米级缺陷和机械应力如何导致固体电解质失效。世界各地试图开发新型固体电解质可充电电池的科学家可以围绕这个问题进行设计，甚至可以将这一发现转化为他们的优势，正如斯坦福大学这个团队目前正在研究的那样。能量密集、快速充电、不易燃的长时间锂金属电池可以克服广泛使用电动汽车的主要障碍，还有许多其他好处。
统计显著性
当今许多主要的固体电解质都是陶瓷的。它们能够快速运输锂离子，并将存储能量的两个电极物理分离。最重要的是，它们是防火的。但是，就像我们家里的陶瓷一样，它们的表面会产生微小的裂缝。
研究人员通过60多个实验证明，陶瓷经常充满纳米级的裂缝、凹痕和裂缝，许多小于20纳米宽。(一张纸大约有10万纳米厚。)Chueh和他的团队说，在快速充电过程中，这些固有的裂缝打开，允许锂侵入。
在每个实验中，研究人员将一个电探针应用于固体电解质，创建了一个微型电池，并使用电子显微镜实时观察快速充电。随后，他们使用离子束作为手术刀来了解为什么锂在陶瓷表面的某些地方聚集，而在其他地方它开始挖洞，越挖越深，直到锂在固体电解质上架桥，造成短路。
差的就是压强。当电子探针仅仅接触到电解液的表面时，即使电池在不到一分钟的时间内充满电，锂也会完美地聚集在电解液的顶部。然而，当探针压入陶瓷电解质，模拟压痕、弯曲和扭曲的机械应力时，电池更有可能短路。
理论转化为实践
一个真实的固态电池是由一层又一层的阴极-电解质-阳极板堆叠而成的。电解质的作用是将阴极和阳极物理分离，同时允许锂离子在两者之间自由移动。如果阴极和阳极以任何方式接触或电连接，如通过金属锂隧道，就会发生短路。
正如Chueh和他的团队所展示的那样，即使是电解质和锂阳极之间的细微弯曲、轻微扭曲或灰尘斑点也会造成难以察觉的裂缝。
McConohy说:“如果有机会在电解液中钻洞，锂最终会蜿蜒穿过，连接阴极和阳极。”McConohy去年在Chueh的实验室完成了博士学位，现在在工业界工作。“当这种情况发生时，电池就会失效。”
研究人员说，新的理解被反复证明。他们用扫描电子显微镜记录下了这一过程的视频，而正是这种显微镜无法在未经测试的纯电解质中看到新生的裂缝。
徐解释说，这有点像在完美的路面上出现一个坑。在雨雪中，汽车轮胎将水冲入路面上微小的、预先存在的缺陷中，随着时间的推移，产生越来越大的裂缝。
“锂实际上是一种柔软的材料，但是，就像坑洞里的水一样，只需要压力就能扩大缝隙并导致失败，”徐博士说，他是觉哲实验室的博士后学者。
有了新的认识，Chueh的团队正在寻找方法，在制造过程中有意地使用这些相同的机械力来增强材料，就像铁匠在生产过程中退火刀片一样。他们还在研究如何在电解液表面涂上涂层，以防止裂纹或在出现裂纹时进行修复。
“这些改进都始于一个问题:为什么?”顾的实验室的博士后学者崔说。“我们是工程师。我们能做的最重要的事情就是找出事情发生的原因。一旦我们知道了这一点，我们就可以改进。”
更多信息:Geoff McConohy，石榴石固体电解质中锂入侵概率的机械调节，自然能源(2023)。DOI: 10.1038 / s41560 - 022 - 01186 - 4。www.nature.com/articles/s41560-022-01186-4期刊信息:Nature Energy
斯坦福大学提供 引用:科学家照亮下一代电池的障碍，充电非常快(2023年，1月30日)检索2023年1月30日从https://techxplore.com/news/2023-01-scientists-illuminate-barrier-next-generation-battery.html本文档 作品受版权保护。除为私人学习或研究目的而进行的公平交易外，未经书面许可，不得转载任何部分。的有限公司 Ntent仅供参考之用。
