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      全固態(tài)鋰電池將大幅提升電池的能量密度和安全性

      2017年02月13日 8:33 2414次瀏覽 來源:   分類:

        大多數(shù)電池由兩個(gè)稱為電極的固體電化學(xué)活性層組成,并由被注入液體或凝膠電解質(zhì)的聚合物膜隔開。但最近的研究探討了全固態(tài)電池的可能性,其中液體(潛在易燃)電解質(zhì)將被固體電解質(zhì)替代,這可以增強(qiáng)電池的能量密度和安全性。
        現(xiàn)在,麻省理工學(xué)院的一個(gè)團(tuán)隊(duì)第一次探索了硫化物基固體電解質(zhì)材料的機(jī)械性能,以確定其結(jié)合到電池中時(shí)的機(jī)械性能。
        新的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)在本周的“高級(jí)能源材料”雜志上發(fā)表,該論文由麻省理工學(xué)院的研究生Frank McGrogan和Tushar Swamy,材料科學(xué)與工程教授Krystyn Van Vliet,材料科學(xué)與工程教授陳明清,另外四位包括由麻省理工學(xué)院材料科學(xué)與工程中心及其材料加工中心管理的國家科學(xué)基金會(huì)本科研究經(jīng)驗(yàn)(REU)的本科生。
        鋰離子電池提供了一種輕量級(jí)的儲(chǔ)能解決方案,使許多當(dāng)今的高科技設(shè)備可用,從智能手機(jī)到電動(dòng)汽車。但是在這種電池中,用固體電解質(zhì)代替常規(guī)的液體電解質(zhì)可具有顯著的優(yōu)點(diǎn)。重量相當(dāng)時(shí),這種全固態(tài)鋰離子電池可以在電池組級(jí)別提供甚至更大的能量存儲(chǔ)能力。它們還可以基本上消除被稱為“樹突”的微小的,指狀的金屬突起帶來的風(fēng)險(xiǎn),樹突可以穿透電解質(zhì)層生長并導(dǎo)致短路。
        “全固態(tài)電池是性能和安全性的有吸引力選擇,但仍有一些挑戰(zhàn)。”Van Vliet說。在當(dāng)今市場占主導(dǎo)地位的鋰離子電池中,鋰離子在電池充電時(shí)通過液體電解質(zhì)從一個(gè)電極到達(dá)另一個(gè)電極,然后在使用時(shí)通過相反的方向流過。“這些電池是非常有效的,但液體電解質(zhì)具有化學(xué)不穩(wěn)定性,甚至是易燃的。”Van Vliet說。“所以,如果電解質(zhì)是固體會(huì)更安全,并且體積更小,重量更輕。”
        但是使用這種全固體電池的大問題是當(dāng)電極反復(fù)充電和放電時(shí),電池內(nèi)部的電解質(zhì)材料可能發(fā)生什么樣的機(jī)械應(yīng)力。這種循環(huán)使得電極隨著鋰離子進(jìn)入和離開其晶體結(jié)構(gòu)而膨脹和收縮。在剛性電解質(zhì)中,這些尺寸變化可能導(dǎo)致較高應(yīng)力。如果電解質(zhì)也是脆性的,尺寸的恒定變化可導(dǎo)致裂紋,并迅速地降低電池性能,甚至可能產(chǎn)生利于損壞電池的樹突形成的通道,如在液體電解質(zhì)電池中那樣。但是,如果材料抗斷裂,那些應(yīng)力可以在材料快速開裂前被吸納。
        到目前為止,硫化物對(duì)正常實(shí)驗(yàn)室空氣的極端敏感性對(duì)測(cè)量其機(jī)械性能,包括斷裂韌性提出了挑戰(zhàn)。為了避免這個(gè)問題,研究人員在礦物油浴中進(jìn)行機(jī)械測(cè)試,保護(hù)樣品免受與空氣或水分的任何化學(xué)相互作用。使用該技術(shù),他們能夠詳細(xì)測(cè)量硫化鋰的機(jī)械性能,硫化鋰被認(rèn)為是全固態(tài)電池電解質(zhì)最有希望的候選者。
        “固體電解質(zhì)有很多不同的候選者,”McGrogan說。其他團(tuán)體已經(jīng)研究了鋰離子導(dǎo)電氧化物的機(jī)械性能,但是迄今為止對(duì)硫化物的研究很少,即使它們能夠快速地傳導(dǎo)鋰離子而非常具有潛力。
        此前,研究人員使用聲學(xué)測(cè)量技術(shù),使聲波通過材料以探測(cè)其機(jī)械行為,但是該方法不能量化材料對(duì)斷裂的抵抗力。本項(xiàng)新研究工作使用細(xì)尖探針進(jìn)入材料并監(jiān)測(cè)其響應(yīng),測(cè)量出了材料更重要的性能,包括硬度,斷裂韌性和楊氏模量(衡量材料的拉伸能力在施加應(yīng)力下可逆)。
        “研究小組已經(jīng)測(cè)量了硫化物基固體電解質(zhì)的彈性性能,但沒有測(cè)量斷裂性能,”Van Vliet說。斷裂性能對(duì)于預(yù)測(cè)材料在電池中用作電解質(zhì)時(shí)是否可能破裂或破碎是至關(guān)重要的。
        研究人員發(fā)現(xiàn),該材料的綜合性能類似于橡皮泥或鹽水太妃糖的性質(zhì)組合:當(dāng)經(jīng)受應(yīng)力時(shí),它可以容易地變形,但是在足夠高的應(yīng)力下它可以像脆性玻璃片一樣裂開。
        “通過詳細(xì)了解這些屬性,你可以計(jì)算材料在斷裂之前能承受多大的應(yīng)力,并且在設(shè)計(jì)電池系統(tǒng)時(shí)考慮到這些信息。”Van Vliet說。
        事實(shí)證明,硫化物材料比電池使用的理想材料更脆。“但是只要已知其性質(zhì),并且系統(tǒng)設(shè)計(jì)恰當(dāng),該材料仍然可以具有用作固態(tài)電解質(zhì)的潛力。”McGrogan說。“你必須圍繞這個(gè)知識(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)。”(工業(yè)和信息化部電子科學(xué)技術(shù)情報(bào)研究所 張慧)

      責(zé)任編輯:周大偉

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