科学家记录锂金属电极如何老化 助力开发性能最大化电池

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即使手机关机也会消耗掉电池,这一过程对锂金属电池来说更是一个问题。锂金属电池正在为下一代更小、更轻的电子设备、远程电动汽车等等提供用途。


科学家记录锂金属电极如何老化 助力开发性能最大化电池


研究还显示,日历老化会在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。尽管这种电荷渗透会随着时间的推移而减缓,但它会迅速累积,并会使电池的寿命缩短25%。


斯坦福大学SLAC教授和斯坦福大学教授崔毅(音)说,我们的工作表明,电解质可以对蓄电池的稳定性产生很大的影响。崔毅与斯坦福大学教授鲍哲南共同领导了这项研究。人们并没有真正花时间去研究这个问题,也没有把它作为理解发生了什么事情的一种方式。


研究小组在《自然能源》杂志上描述了他们的研究结果。


科学家记录锂金属电极如何老化 助力开发性能最大化电池

下一代锂金属电池会经历快速的日历老化,即使不使用时,也会耗尽电池电量并降低其存储能量的能力。当电池电解质腐蚀充电过程中在阳极上形成的锂金属阳极颗粒(左上)或锂金属细丝时,会发生这种情况。腐蚀会产生一层不规则的团块,称为SEI(左下和右下)。SLAC国家加速器实验室和斯坦福大学的一项研究发现,某些电解液比其他电解液更能导致这种破坏性腐蚀。


为长途汽车提供更轻的电池


和锂离子电池一样,锂金属电池使用锂离子在电极之间来回充电。但是锂离子电池的阳极是用石墨做的,而锂金属电池的阳极是用锂金属做的,这种电池要轻得多,在给定的体积和重量下,有潜力存储更多的能量。这对电动汽车来说尤其重要,因为电动汽车拖着沉重的电池到处跑需要耗费大量的能量。减轻他们的负荷可以降低他们的成本,增加他们的驾驶里程,使他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,有一个目标是开发用于电动汽车的锂金属电池,其单位重量的存储电量几乎是目前电动汽车电池的三倍。虽然他们已经在提高电池的能量密度和寿命方面取得了很大进展,但他们还有很长的路要走。他们还在努力解决树突的问题,树突是一种在阳极上的手指状生长物,会导致电池短路并着火。


在过去的几年里,包和崔,是谁调查的斯坦福线性材料和能源科学研究所合作找到解决这些问题的办法,包括一个新的涂层,以防止树突增长锂金属阳极和电解质,也可以防止树突增长。


Cui实验室的博士生David Boyle说,大多数这样的研究都集中在最小化反复充放电所造成的伤害上,反复充放电会使电极产生张力和裂纹,限制电池的工作寿命。


但在这项研究中,他说,研究小组想测试不同化学组成的各种电解质,以了解锂金属阳极是如何老化的。


积极的腐蚀


首先,Boyle测量了含有各种电解质的锂金属电池的充电效率。然后,他和他的博士生William Huang小心翼翼地拆除了充满电的电池,放置了一天,取出阳极,在液氮中闪冻,以保存其结构和化学成分在日历老化过程中的特定点。


接下来,黄在斯坦福大学校园用低温电子显微镜(cryoo - em)检查了阳极,看看各种电解质在接近原子尺度时是如何影响阳极的。这是崔的团队几年前首创的一种方法,用于观察电池组件的内部生活。


在今天的锂离子电池中,电解质腐蚀阳极表面,形成一层称为固体电解质界面,或SEI。这一层既是双重人格:它消耗了少量的电池容量,但它也保护阳极免受进一步的腐蚀。所以在平衡上,一个平滑、稳定的SEI层对电池功能是有好处的。


但在锂金属电池中,每当电池充电时,阳极表面就会沉积一层薄薄的锂金属,这一层为老化过程中的腐蚀提供了一个新的表面。此外,黄教授说,我们发现,由于与电解液发生更剧烈的化学反应,这些阳极上的SEI层生长得更剧烈。


他们测试的每种电解质都产生了独特的SEI生长模式,其中一些形成了团块、薄膜或两者都有,而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。


找到一个平衡


与预期相反,本来可以支持高效充电的电解质与性能不佳的电解质一样,由于日历老化而容易出现效率下降。没有一种电解质化学可以同时做到这两点。


因此,要最小化日历老化,挑战将是最小化电解质的腐蚀性和阳极表面的锂金属的程度,它可以攻击。


真正重要的是,这给我们提供了一种研究哪种电解质最有前途的新方法。它指出了一种新的电解质设计标准,以实现下一代电池技术所需的参数。


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