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深入研究锂金属的性能机理,有助于获得更优质的锂电池


来源:材料科技在线

[导读]  锂离子电池具有更好的储能特性,但是,它们是不稳定的。有关锂离子电池安全的消息:特别是三星Galaxy 7手机电池事故,众所周知。

中国粉体网讯  如果我们对于锂在电池充电和放电过程中产生的压力的响应有充分的了解,会有助于我们生产高安全,高效率的电池。    


材料科学与工程系Stephen Hackney教授和助理教授Erik Herbert正在致力于研究纳米级锂的性质,以了解锂金属在压力下是如何反应的,并着眼于改善固态电池。 




有一句古老的谚语说:“在学习跑之前,你必须先学会走路。”尽管有先人这样的智慧指导,但是目前仍然有许多行业忽视了扎实基础,而是直接采取了马拉松赛式发展方式,这些行业就包括电池行业。  


锂离子电池具有更好的储能特性,但是,它们是不稳定的。有关锂离子电池安全的消息:特别是三星Galaxy 7手机电池事故,众所周知。  


电池安全的大部分问题源自电池内部使用的易燃液体电解质。改善这一问题的一种方法是:选用不可燃的固体电解质和锂金属电极。这不仅会增加电池的能量,同时还能降低电池火 灾的发生。 


 基本上,科研人员的目标是设计不会发生爆 炸的下一代固态电池。所以我们要对锂金属进行充分的了解。 


Herbert补充说:“很少有研究团队会对理解机械元件感兴趣。但是,我们发现锂本身的机械性能可能是解决这个难题的关键部分。“  


密歇根理工大学的科学家在材料研究学会和剑桥大学出版社合作出版的“Journal of Materials Research”上发表的三篇系列文章中,对锂进行了深入的了解,科研上做出了巨大贡献。该团队包括材料科学与工程教授Herbert和Stephen Hackney,以及密歇根理工大学的研究生Violet Thole,橡树岭国家实验室的Nancy Dudney和粉末冶金与新材料国际先进研究中心的Sudharshan Phani。他们科研的结果突出解释了锂在操纵下一代电池性能和安全性方面的机械行为的重要性。  


锂枝晶会破坏电池性能  


锂是一种非常活泼的金属,因此容易受到不良行为的影响。但它也非常擅长储存能量。人们希望他们的手机、平板电脑以及其他电子产品可以进行快速充电,并且待机时间长。如此一来,电池制造商就面临着两大挑战:一方面要使电池充电速度非常快,尽可能快地在阴极和阳极之间传递电荷;另一方面又要保证在反复充电的情况下,电池的使用寿命以及安全可靠性。  


锂是一种非常软的金属,但在电池操作中,它的作用并不像预期的那样。在电池充电和放电过程中会不可避免地发生压力的增长,导致树突状的锂的微指状物在固体电解质隔膜和锂阳极之间的界面处填充预先存在且不可避免的微观缺陷:孔、凹槽和划痕等。  


在连续循环过程中,这些树枝状晶体可以进入并最终穿过物理上分隔阳极和阴极的固体电解质层。一旦枝晶进入阴极,器件就会发生短 路并发生故障,这种故障通常是灾难性的。


Herbert和Hackney的研究主要集中在锂是如何缓解固态电池充电和放电过程中自然形成的压力。 


他们的研究记录了锂在亚微米长度范围内的非凡行为,这是深入研究锂的最小和最令人费解的属性。该团队通过用金刚石探针刻蚀锂膜使金属变形来检查金属是如何对压力作出反应的。他们的研究结果证实了今年早些时候加州理工学院科学家发表的文章:关于小尺度锂的高强度。  


Herbert 和Hackney在该研究的基础上提供了对于锂强度非常高的首次机械解释。   


为了减轻压头尖端施加的压力,锂能够扩散或重新排列其自身的离子或原子,这向科学家展示了锂变形速度(这与锂离子电池的充放电速度有关)的重要性,以及包括阳极在内的锂离子排列中的缺陷和偏差的影响。 


深入了解锂的行为  


在“高纯度气相沉积锂膜的纳米压痕:弹性模量”一文中,科学家们测量了锂的弹性性质,以反映锂离子的物理取向的变化。这些结果突出表明,需要将锂取向相关的弹性特性纳入所有未来的模拟工作中。Herbert 和 Hackney还提供了实验证据,说明锂在小于500nm的长度范围内,可能具有更高的能力将机械能转化为热能。  


在随后的文章中, Herbert 和 Hackney记录了锂在小于500nm的长度范围内的超高强度,并给出了它们最初的轮廓。其目的是描述锂的压力管理能力是如何受扩散和材料变形速度所控制的。这篇文章是:“高纯度气相沉积锂膜的纳米压痕:扩散中介导流动的机理合理化”。  


最后,在文章“高纯度气相沉积锂膜的纳米压痕:从扩散到位错介导流动的过渡机理合理化”中,作者提供了一个统计模型,解释了锂在何种条件下经历了突变,从而进一步减轻了压力。他们还提供了一个模型,直接将锂的机械行为和电池的性能连接在了一起。  


Herbert 说:“我们正试图理解锂在长尺度上减轻压力的机制,而这种压力与界面缺陷是相称的。增强人们对这一重要问题的理解,将直接促进人们开发出稳定的界面,有利于开发出具有安全,长期和高速率的循环性能的电池。  


Herbert补充说:“我希望我们的工作对人们试图开发下一代存储设备的方向产生重大影响。”

(粉体网编辑整理/土豆儿)

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