锂枝晶研究获突破,加速全固态电池量产
发布日期:2020-02-13    来源:中国高科技行业门户    

念念不忘,必有回响。困扰人们许久的锂枝晶生长机理问题终于取得了重大突破!
 
 

OFweek新能源汽车网从顶级国际期刊《Nature nanotechnology》(2019年IF=33.407)获悉,2020年1月6日刊登了一篇题为《Lithium whisker growth and stress generation in an in situatomic force microscope–environmental transmission electron microscope set-up》的研究成果。

 

 

图片来源:《Nature nanotechnology》官网原位揭示锂枝晶生长机理获重要进展
 
 

该研究成果由燕山大学张利强教授、唐永福副教授、乔治亚理工学院朱廷教授、宾夕法尼亚州立大学Sulin Zhang教授以及燕山大学/湘潭大学黄建宇教授等人利用泽攸科技(ZepTools)推出的PicoFemto?原位力电一体样品杆,巧妙地设计实验过程来对锂晶须形貌进行了原位生长观察,并对其进行了应力测量。

 

 

在这项研究中,研究人员发现在室温下,当对AFM针尖施加电压(过电位)时亚微米晶须开始生长,这个生长过程中的生长应力高达130 MPa,远高于此前研究报道。此外,研究人员还发现锂晶须在纯机械载荷作用下的屈服强度可达244Mpa。

 

 

AFM-ETEM纳米电化学测试平台,可实现原位观测纳米固态电池中锂枝晶生长机制及其力学性能和力-电耦合精准定量测量(图片来源:已发表论文)
 
 

该研究成果颠覆了科研工作人员对锂枝晶力学性能的传统认知,为抑制全固态电池中锂枝晶生长提供了新的定量基准。

 
 
科研成果将加速全固态电池商业化量产?
 
 

我们知道,锂金属因其具有约为3860mAh/g的高比容量,成为新一代电池的理想负极材料之一。但我们从元素周期表的排位可知,锂金属化学活性很强,因此,在锂金属作为电极时,和电解液发生副反应后,容易形成锂“枝晶”。

 

 

锂“枝晶”的存在有什么危害呢?

 

 

电池内部存在的锂“枝晶”会使电池库伦效率和循环寿命大幅度降低。更值得关注的是,不可控的锂枝晶非常“锋利”,可能刺破隔膜,造成电池内部短路,从而导致电池起火。据OFweek锂电网从多位锂电行业的企业家处了解,目前动力电池为追求电池的高能量密度,降低了隔膜的厚度,从十几毫米厚降至只有五、六毫米的厚度。2019年大批量汽车因电池原因起火,或许也间接反映了这个问题。
 
 

既然液态的电解液不行,有科研人员就会想到,用机械刚性的固态电解质来抑制锂枝晶生长不就完事了么?

 

 

然而,可能对锂枝晶的生长及相关的力学行为缺乏足够了解,实验结果表明,锂金属生长出来的枝晶仍然可以穿透固态电解质。

 

 

这项研究成果发布,将为设计具有高容量长寿命的金属锂固态电池提供了科学依据将助力固态电池在电动汽车、大型储能和便携电子器件等领域应用研发,因此,这项研究工作得到国家基金委和科技部的大力支持。

 

 



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