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工程师们解开了一个关于更小更轻电池的谜团 精选

已有 5797 次阅读 2022-11-21 11:04 |个人分类:新科技|系统分类:博客资讯

工程师们解开了一个关于更小更轻电池的谜团

诸平

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Credit: Pixabay/CC0 Public Domain

据美国麻省理工系统(Massachusetts Institute of Technology简称MIT20221118日报道,工程师们解开了一个关于更小更轻电池的谜团(Engineers solve a mystery on the path to smaller, lighter batteries)。

麻省理工学院(MIT)的研究人员的一项发现最终可能开启了一种新型可充电锂电池的设计之门,这种电池比目前的电池更轻便、更紧凑、更安全,多年来世界各地的实验室一直在研究这种电池。相关研究结果于20221118日已经在《焦耳》(Joule)杂志网站发表——Cole D. Fincher, Christos E. Athanasiou, Colin Gilgenbach, Michael Wang, Brian W. Sheldon, W. Craig Carter, Yet-Ming Chiang. Controlling dendrite propagation in solid-state batteries with engineered stress. Joule, Published: November 18, 2022. DOI: 10.1016/j.joule.2022.10.011. https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(22)00520-7

电池技术(battery technology)实现这一潜在飞跃的关键是用更薄、更轻的固体陶瓷材料层取代正负极之间的液体电解质(liquid electrolyte),并用固体锂金属取代其中一个电极。这将极大地减小电池的整体尺寸和重量,并消除可燃液体电解质带来的安全风险。但这一探索一直被一个大问题所困扰:树枝状晶体又称树枝晶(dendrites)。

树枝状晶体(dendrites)的名称来自拉丁语,它是金属的突起,可以在锂表面堆积并渗透到固体电解质中,最终从一个电极交叉到另一个电极,导致电池短路。研究人员尚未就金属丝形成的原因达成一致,也没有在如何防止金属丝的形成以及如何使轻质固态电池成为可行的选择方面取得很大进展。发表在《焦耳》杂志上的这项新研究似乎解决了树枝晶形成原因的问题。

该研究由麻省理工学院教授蒋业明(Yet-Ming Chiang)、研究生柯尔·芬奇(Cole Fincher)以及其他5名来自麻省理工学院和布朗大学(Brown University)的科学家合作完成。此论文还显示了如何防止树枝状物穿过电解质。

蒋业明说,在小组早期的研究中,他们有了一个“令人惊讶和意想不到的”的发现,在电池充放电的过程中,用于固态电池的硬质固体电解质材料可以被锂穿透,锂是一种非常软的金属,且锂离子在电池两侧移动。

离子的这种来回穿梭导致电极的体积发生变化。这不可避免地会在固体电解质中产生应力,而固体电解质必须与夹在中间的两个电极保持完全接触。蒋业明说:“为了沉积这种金属,体积必须扩大,因为你要增加新的质量。因此,锂电池侧面的体积增加,是因为锂电池侧面沉积了金属锂所致。即使存在微小的缺陷,也会对这些缺陷产生压力,从而导致裂纹。”

该团队现在证明,这些压力会导致树枝晶的裂纹形成。解决这个问题的方法是以正确的方向和正确的力施加更多的压力。

尽管一些研究人员以前认为树枝晶是纯电化学过程而非机械过程形成的,但该团队的实验证明,是机械应力导致了问题。

树枝晶的形成过程通常发生在电池单元的不透明材料内部,无法直接观察到,因此柯尔·芬奇开发了一种使用透明电解质制作薄电池的方法,从而可以直接观察和记录整个过程。他说:“你可以看到当你对系统进行压缩时发生了什么,你可以看到树枝晶的行为是否与腐蚀过程或断裂过程相适应。”

研究小组证明,他们可以直接通过施加和释放压力来控制树枝晶的生长,使树枝晶与力的方向完美地对齐,呈之字形变化。

对固体电解质施加机械应力(mechanical stresses)并不能消除树枝晶的形成,但可以控制树枝晶的生长方向。这意味着可以引导它们与两个电极保持平行,并防止它们交叉到另一侧,从而使其无害。

在他们的测试中,研究人员使用了材料弯曲时产生的压力,材料的一端带有重物,形成了一根梁。但他们表示,在实践中,产生所需压力的方式可能有很多种。例如,电解液可以由具有不同热膨胀量的两层材料制成,从而存在材料的固有弯曲,就像某些恒温器中所实现的那样。

另一种方法是在材料中“掺杂”一些嵌入其中的原子,使材料变形,使其永久处于应力状态。蒋业明解释说,这种方法和智能手机及平板电脑屏幕上使用的超硬玻璃是一样的。所需的压力并不极端:实验表明150-200兆帕(150-200 MPa)的压力足以阻止树枝状物穿过电解质。

所需的压力“与商业薄膜生长过程和许多其他制造过程(manufacturing processes)中常见的应力相当”,因此在实际应用中应该不难,柯尔·芬奇补充道。

事实上,另一种压力,称为电池组压力(stack pressure),通常施加在电池上,这种压力实质上是在垂直于电池板的方向上挤压材料,就像在三明治上放置重物来挤压它一样。人们认为这可能有助于防止层分离。但是实验已经证明,这个方向的压力实际上会加剧树枝晶的形成(dendrite formation)。柯尔·芬奇说:“我们发现,这种类型的电池组压力实际上加速了树枝晶引发的破坏。”

取而代之的是沿电池极板平面施加的压力,就好像三明治是从侧面被挤压的一样。柯尔·芬奇说:“我们在这项研究中发现,当施加压缩力时,可以迫使树枝晶沿着压缩的方向移动,如果这个方向是沿着极板的平面移动,树枝晶就永远不会到达另一侧。”

这最终将会使使用固体电解质和金属锂电极生产电池变得可行。这些电池不仅可以在给定的体积和重量内储存更多的能量,而且还可以消除对液体电解质的需求,液体电解质是一种易燃材料。

蒋业明说,在演示了相关的基本原理(basic principles)之后,该团队的下一步将是尝试将这些原理应用到功能电池原型的制造中,然后精确地计算出大量生产这种电池所需的制造工艺。

他说,尽管他们已经申请了专利,但研究人员并不打算自己将该系统商业化,因为已经有公司在开发固态电池。他说:“我想这是对固态电池故障模式的一种理解,我们认为,业界需要了解这种情况,并试图用这种情况来设计更好的产品。”

上述介绍,仅供参考。欲了解更多信息,敬请注意浏览原文或者相关报道MIT

How to prevent short-circuiting in next-gen lithium batteries

Highlights

• Growing dendrites deflect in response to applied loading, averting short circuits

• Dendrites propagate due to plating-induced fracture of the electrolyte

• Stresses on the order of 150 MPa deflect and arrest dendrites in oxide electrolytes

• Engineered residual thermal stresses can deflect dendrites in conventional cells

Summary

Metal-dendrite penetration is a mode of electrolyte failure that threatens the viability of metal-anode-based solid-state batteries. Whether dendrites are driven by mechanical failure or electrochemical degradation of solid electrolytes remains an open question. If internal mechanical forces drive failure, superimposing a compressive load that counters internal stress may mitigate dendrite penetration. Here, we investigate this hypothesis by dynamically applying mechanical loads to growing dendrites in Li6.6La3Zr1.6Ta0.4O12 solid electrolytes. Operando microscopy reveals marked deflection in the dendrite growth trajectory at the onset of compressive loading. For sufficient loading, this deflection averts cell failure. Using fracture mechanics, we quantify the impact of stack pressure and in-plane stresses on dendrite trajectory, chart the residual stresses required to prevent short-circuit failure, and propose design approaches to achieve such stresses. For the materials studied here, we show that dendrite propagation is dictated by electrolyte fracture, with electronic leakage playing a negligible role.

Graphical abstract

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