专题

科学家查明了锂电池中有害枝晶和晶须产生的原因

作者: 来源:技术力量 时间:2019-10-18

[摘要]科学家发现了锂电池当中针状结构(称为枝晶和晶须)生长的根本原因,这些结构困扰着锂电池,有时会引起短路,故障甚至起火。

美国能源部太平洋西北国家实验室查明了锂电池当中枝晶和晶须产生的原因


科学家发现了锂电池当中针状结构(称为枝晶和晶须)生长的根本原因,这些结构困扰着锂电池,有时会引起短路,故障甚至起火。


由美国能源部太平洋西北国家实验室的王崇民(Chongmin Wang)领导的研究表明,电解液中某些化合物的存在(使电池成为关键化学物质的液体材料)促进了枝晶和晶须的生长。研究小组希望这一发现找到通过操纵电池成分阻止其增长的新方法。


该研究发表在10月14日的《自然纳米技术》科学期刊上。


锂电池中的枝晶


树枝状晶体是微小的刚性树状结构,可以在锂电池内部生长,它们的针状突起称为晶须。两者都造成巨大伤害。


值得注意的是,枝晶和晶须可以刺穿电池内部称为隔离器的结构,就像杂草可以刺穿混凝土露台或铺砌的道路一样。它们还会增加电解质和锂之间的有害反应,从而加速电池故障。枝晶和晶须阻碍了锂金属电池的广泛使用,其能量密度比常用的锂离子电池高。


锂电池中的晶须


研究人员发现,锂金属电池中的晶须起源于称为“固体电解质中间相的结构”(SEI),该膜是阳极的固体锂表面与液体电解质相遇的膜。


此外,科学家们揭示出了枝晶和晶须生长过程中的罪魁祸首:碳酸亚乙酯,一种添加到电解质中以增强电池性能的必不可少的溶剂。


事实证明,碳酸亚乙酯会使电池容易损坏。



以上视频显示了纳米锂金属电池中晶须的逐步生长过程。锂离子开始聚集成团,形成颗粒。随着越来越多的锂原子凝结,结构会缓慢生长,就像石笋从洞穴底部生长一样。然后,突然有晶须射出。


为了捕捉到枝晶和晶须的生长过程,科学家将原子力显微镜(AFM)和环境透射电子显微镜(ETEM)集成在一起。通过用原子力显微镜的悬臂向下推其晶须的尖端,并测量枝晶的作用力来测量生长晶须的力,从而揭示出在其成长过程中发挥的作用。


研究小组发现,碳酸亚乙酯的含量与枝晶和晶须的生长直接相关。投入的碳酸亚乙酯电解液材料越多,晶须的生长就越多。科学家们对电解质混合物进行了实验,改变了成分以减少树枝状晶体。一些变化,例如添加环己酮,阻止了树枝状晶体和晶须的生长。


王崇民和共同研究员徐武(Wu Xu)说:“我们不想简单地抑制树突的生长。我们想找到根本原因并消除它们。我们利用了在电化学方面具有精湛技术的同事的专业知识。我希望这一发现将促使业界以新的方式来研究这个问题。显然,这个问题还需要更多的研究。”


第一作者何洋(Yang He)补充说,了解晶须产生和生长的原因将导致消除或至少控制晶须的新思路出现。


该研究有望让我们更好地扫除锂金属电池在电动汽车,笔记本电脑,移动电话和其它领域的进一步应用。

 

 

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