中國(guó)航空?qǐng)?bào)訊：帶有固體電解質(zhì)的新型鋰金屬電池重量輕，易燃，可儲(chǔ)存大量能量，而且可以很快充電，但由于會(huì)發(fā)生不可預(yù)料的短路和故障，它們一直發(fā)展緩慢。現(xiàn)在，斯坦福大學(xué)和SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室的研究人員說(shuō)他們已經(jīng)解開(kāi)了這個(gè)謎團(tuán)，它被歸結(jié)為應(yīng)力——更準(zhǔn)確地說(shuō)，是機(jī)械應(yīng)力——特別是在電流較大的充電過(guò)程中。

(資料圖)

研究作者William Chueh解釋說(shuō)，只要電池有輕微的壓痕、彎曲或扭曲，就會(huì)導(dǎo)致材料中的納米級(jí)裂縫打開(kāi)，鋰就會(huì)侵入固體電解質(zhì)中，導(dǎo)致其短路。即使是制造過(guò)程中引入的灰塵或其他雜質(zhì)也能產(chǎn)生足夠的壓力導(dǎo)致故障，他與機(jī)械工程系助理教授Wendy Gu 一起指導(dǎo)了這項(xiàng)研究。

固體電解質(zhì)失效的問(wèn)題并不新鮮，許多人都研究過(guò)這種現(xiàn)象。關(guān)于到底是什么原因的理論眾說(shuō)紛紜。有些人說(shuō)是電子的意外流動(dòng)造成的，而其他人則指出是化學(xué)反應(yīng)造成的。然而，還有人理論上認(rèn)為是不同的力量在起作用。

在1月30日發(fā)表在《自然-能源》雜志上的一項(xiàng)研究中，共同牽頭人Geoff McConohy、Xin Xu和Teng Cui通過(guò)嚴(yán)格的、具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的實(shí)驗(yàn)解釋了納米級(jí)缺陷和機(jī)械應(yīng)力如何導(dǎo)致固體電解質(zhì)失效。世界各地試圖開(kāi)發(fā)新的固體電解質(zhì)可充電電池的科學(xué)家們可以圍繞這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行設(shè)計(jì)，甚至將這一發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化為他們的優(yōu)勢(shì)，正如這個(gè)斯坦福大學(xué)團(tuán)隊(duì)的大部分人現(xiàn)在正在研究的那樣。能量密集、快速充電、不易燃的鋰金屬電池能夠持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間，可以克服廣泛使用電動(dòng)汽車(chē)的主要障礙，還有許多其他好處。

今天許多領(lǐng)先的固體電解質(zhì)是陶瓷的。它們能夠?qū)崿F(xiàn)鋰離子的快速傳輸，并將儲(chǔ)存能量的兩個(gè)電極物理分離。最重要的是，它們是防火的。但是，就像我們家里的陶瓷一樣，它們的表面會(huì)出現(xiàn)微小的裂縫。

研究人員通過(guò)60多個(gè)實(shí)驗(yàn)證明，陶瓷經(jīng)常出現(xiàn)納米級(jí)的裂縫、凹痕和裂紋，許多裂紋的寬度不到20納米。Chueh和他的團(tuán)隊(duì)表示，在快速充電期間，這些固有的裂縫會(huì)打開(kāi)，允許鋰侵入。

在每個(gè)實(shí)驗(yàn)中，研究人員將一個(gè)電探針施加到固體電解質(zhì)上，形成一個(gè)微型電池，并使用電子顯微鏡實(shí)時(shí)觀察快速充電。隨后，他們用離子束作為“手術(shù)刀”，了解為什么鋰在某些地方如愿以償?shù)鼐奂谔沾杀砻?，而在其他地方則開(kāi)始鉆入，越鉆越深，直到鋰在固體電解質(zhì)上搭橋，形成短路。

差異在于壓力。當(dāng)電探針僅僅接觸到電解質(zhì)的表面時(shí)，即使電池在不到一分鐘內(nèi)被充電，鋰也會(huì)聚集在電解質(zhì)上面。然而，當(dāng)探針壓入陶瓷電解質(zhì)，模仿壓痕、彎曲和扭曲的機(jī)械應(yīng)力時(shí)，電池短路的可能性更大。

現(xiàn)實(shí)世界中的固態(tài)電池是由一層又一層的陰極-電解質(zhì)-陽(yáng)極片疊加而成。電解液的作用是將陰極和陽(yáng)極物理隔離，但允許鋰離子在兩者之間自由移動(dòng)。如果陰極和陽(yáng)極以任何方式接觸或電性連接，如通過(guò)金屬鋰的隧道，就會(huì)發(fā)生短路。

正如Chueh和團(tuán)隊(duì)所展示的那樣，即使是細(xì)微的彎曲、輕微的扭曲，或夾在電解質(zhì)和鋰陽(yáng)極之間的灰塵斑點(diǎn)，都會(huì)造成難以察覺(jué)的縫隙。

McConohy說(shuō)：“如果有機(jī)會(huì)鉆進(jìn)電解質(zhì)，鋰最終會(huì)蜿蜒穿過(guò)，連接陰極和陽(yáng)極。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，電池就會(huì)失效?！?/p>

研究人員使用掃描電子顯微鏡記錄了這一過(guò)程的視頻——正是這些顯微鏡無(wú)法看到未經(jīng)測(cè)試的純電解質(zhì)中的新生裂縫。這有點(diǎn)像原本完美的路面上出現(xiàn)坑洞的方式。通過(guò)雨和雪，汽車(chē)輪胎將水打入路面上預(yù)先存在的微小缺陷中，產(chǎn)生不斷擴(kuò)大的裂縫，并隨著時(shí)間的推移而增長(zhǎng)。鋰實(shí)際上是一種軟材料，但是，就像坑洞中的水一樣，它所需要的只是壓力來(lái)擴(kuò)大隱患并導(dǎo)致故障。

有了他們的新認(rèn)識(shí)，Chueh的團(tuán)隊(duì)正在研究如何在制造過(guò)程中有意使用這些相同的機(jī)械力來(lái)強(qiáng)化材料，就像鐵匠在生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)刀片進(jìn)行退火。他們還在研究如何在電解質(zhì)表面涂上一層涂層，以防止出現(xiàn)裂縫或在出現(xiàn)裂縫時(shí)對(duì)其進(jìn)行修復(fù)。

關(guān)鍵詞： 金屬電池 快速充電