​科学家们研究影响锂金属电极老化过程的因素

   化学小能手        

即使手机关机也会消耗掉电池,对于锂金属电池来说,问题更大,因为锂金属电池正在被开发用于下一代更小、更轻的电子设备、远距离电动汽车和其他用途。


​科学家们研究影响锂金属电极老化过程的因素


现在,斯坦福大学和能源部SLAC国家加速器实验室的科学家们首次在原子尺度上研究了这个被称为 "日历老化 "的过程是如何攻击锂金属阳极或负极的。他们发现,在电极之间携带电荷的电池电解液的性质对老化有很大的影响,这是在开发能使电池性能最大化的电解液时需要考虑的因素。


研究还显示,日历老化可以在短短24小时内耗尽锂金属电池2-3%的电量,而锂离子电池则需要3年时间。虽然这种电荷渗出会随着时间的推移而减缓,但很快就会累积起来,并可使电池的寿命缩短25%。


"我们的工作表明,电解液可以使存储电池的稳定性产生很大的变化,"SLAC和斯坦福教授Yi Cui说,他与斯坦福教授Zhenan Bao一起领导了这项研究。"这是人们还没有真正花时间去研究或使用的东西,以了解发生了什么。"


研究团队今天在《自然能源》上描述了他们的成果。


远行汽车的轻型电池


​科学家们研究影响锂金属电极老化过程的因素


与今天的锂离子电池一样,锂金属电池使用锂离子在电极之间来回输送电荷。但锂离子电池的阳极由石墨制成,而锂金属电池的阳极则由金属锂制成,重量更轻,在给定体积和重量的情况下,有可能储存更多能量。这对于电动汽车来说尤其重要,因为电动汽车需要花费大量的能量来拖动其沉重的电池。减轻它们的负荷可以降低它们的成本,增加它们的行驶里程,使它们对消费者更有吸引力。


美国能源部的电池500联盟,包括SLAC和斯坦福大学,其目标是为电动汽车开发锂金属电池,其单位重量可存储的电量几乎是今天电动汽车电池的三倍。虽然他们在提高这些电池的能量密度和寿命方面取得了很大的进展,但他们还有一段路要走。他们还在努力解决树枝状物的问题,树枝状物是阳极上的手指状生长物,会使电池短路并起火。


在过去的几年里,作为SLAC的斯坦福材料与能源科学研究所的研究人员,Bao和Cui合作找到了解决这些问题的方法,包括一种防止锂金属阳极上树枝状物生长的新涂层,以及一种也能防止树枝状物生长的新电解质。


Cui实验室的博士生David Boyle说,大多数这类研究都集中在最大限度地减少反复充电和放电造成的损害,因为反复充电和放电会使电极拉伤和开裂,限制电池的工作寿命。


但他说,在这项研究中,该团队希望测试各种不同化学成分的电解质,以了解锂金属阳极如何老化的总体情况。


腐蚀性强


首先,博伊尔测量了含有各种类型电解质的锂金属电池的充电效率。然后,他和博士生William Huang小心翼翼地拆开已经充满电并放置一天的电池,取出阳极,并将其在液氮中闪冻,以保存其在历时老化过程中的特定点的结构和化学成分。


接下来,Huang在斯坦福大学的校园里用低温电子显微镜(或称低温电镜)对阳极进行了检查,以了解各种电解质如何在接近原子尺度上影响阳极。这是Cui的小组几年前开创的一种观察电池元件内部生活的方法。


​科学家们研究影响锂金属电极老化过程的因素


在当今的锂离子电池中,电解液会腐蚀阳极表面,形成一层称为固-电相间的物质,或SEI。该层既是Jekyll,也是Hyde:它消耗了少量的电池容量,但它也保护了阳极,使其免受进一步腐蚀。因此,总的来说,光滑、稳定的SEI层对电池的功能是有利的。


但在锂金属电池中,每次电池充电时,阳极表面都会沉积一层薄薄的金属锂,这层金属锂在历时老化过程中为腐蚀提供了一个新鲜的表面。此外,"我们发现这些阳极上的SEI层生长得更积极,这是因为与电解液发生了更积极的化学反应,"Huang说。


他们测试的每一种电解液都会产生独特的SEI生长模式,有些会形成团块、薄膜或两者兼而有之,这些不规则的生长模式与更快的腐蚀和充电效率的损失有关。


寻找平衡点


崔永元说,与预期相反,原本可以支持高效充电的电解质,却和性能不佳的电解质一样,容易因日历老化而导致效率下降。没有一种电解质化学成分能同时做好两件事。


因此,要想最大限度地减少日历老化,面临的挑战将是最大限度地减少电解液的腐蚀性和阳极表面的锂金属所能攻击的范围。


"真正重要的是,这给我们提供了一种研究哪些电解质最有前途的新方法,"Bao说。"它指出了一个新的电解质设计标准,以实现我们在下一代电池技术中所需要的参数。"

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