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研究人员发现锂金属电池中枝晶生长的起源

字号+ 作者:admin 来源:小丑鱼-分享科普知识 2019-12-03 15:03

三位锂离子电池先驱者共同获得了2019年诺贝尔化学奖,但经过四十年的研究,电池的实施并非没有障碍。锂金属是高能量密度的理想负极材料,最早用于锂电池原型中。但是,由于无法解决的安全问题,该设计已被搁置。阳极周围形成称为树枝状的针状结构,导致短路和电解质耗竭。 现在,由王崇民领导

  三位锂离子电池先驱者共同获得了2019年诺贝尔化学奖,但经过四十年的研究,电池的实施并非没有障碍。锂金属是高能量密度的理想负极材料,最早用于锂电池原型中。但是,由于无法解决的安全问题,该设计已被搁置。阳极周围形成称为树枝状的针状结构,导致短路和电解质耗竭。

研究人员发现锂金属电池中枝晶生长的起源

  现在,由王崇民领导的太平洋西北国家实验室的研究人员在了解锂枝晶形成方面取得了长足的进步。通过使用原位生长研究,他们在开发安全锂电池方面获得了宝贵的见识。

  离子传导率

  在电池运行期间,阳极与周围的电解质发生反应,形成包裹阳极的多孔固体电解质中间相层。相间层的性质对锂枝晶的形成和形态有很大的影响。Wang和同事使用相关的透射电子显微镜和原子力显微镜来监视在不同环境条件和外部压力下的枝晶生长。他们发现枝晶的形成受到离子电导率的抑制。如果相间层迅速传导离子,则锂离子不易以树枝状沉积。

  “我们的工作直接证明了枝晶形态与其生长环境之间的相关性”王崇民

  Wang说:“离子在相间层中的缓慢移动导致局部沉积,然后呈针状生长。” “我们的工作直接证明了枝晶形态与其生长环境之间的关系。”

  电解质中毒

  这些实时观察是在气态环境中进行的,但现实世界中的电池和单元使用的是液态电解质。研究人员证实了他们在这种液体细胞中的离子电导率假设。当他们用碳酸亚乙酯“中毒”有机液体电解质时,所得的固体电解质中间层具有较低的离子电导率,并且再次观察到枝晶的形成。

  Wang及其同事提出了两种提高锂金属电池安全性的策略。第一种是调整电解质,使得在固体电解质中间相中仅形成具有高离子迁移率的分解产物。第二种是使用坚硬的屏障来抑制树枝状晶体的伸长。

  该小组计划进一步优化电解质的化学性质,以彻底解决树枝状晶体问题。然而,他们承认,实现可充电锂金属电池比消除枝晶问题要复杂得多。

  团队成员Yang He表示:“锂电池是一个系统,其所有组件都是相互依赖的。” 改变电解质以防止枝晶生长可能会无意间改变电池的其他方面,例如阴极与电解质的相互作用。但是我们的工作为筛选不同的电解质配方提供了指导。”

  防止枝晶生长是迈向充分利用纯锂的全部能量密度和容量,实现绿色,高效且最重要的是更安全的电池的重要一步。

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