牛津大學揭秘全固態(tài)電池故障原因 或?qū)崿F(xiàn)量產(chǎn)

據(jù)外媒報道,全固態(tài)電池是一種所有部件都是固體的電池,由于其能夠存儲更多能量,而且具備操作更安全的潛力,已成為替代鋰離子電池的下一代電池,受到了人們的關注。如果固態(tài)電池能夠?qū)崿F(xiàn)量產(chǎn),將能夠給電動汽車(EV)行業(yè)帶來革命性的變化,因為其可有效增加電動汽車的續(xù)航里程,以及可以顯著降低電動汽車體積和重量。但是,固態(tài)電池在實際電流下循環(huán)(反復充放電)后會發(fā)生故障,這也是阻礙其實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化的障礙之一。

不過,英國牛津大學(the University of Oxford)法拉第研究所(Faraday Institution)的研究人員采取了措施,了解了固態(tài)電池出現(xiàn)故障的機制(是避免其出現(xiàn)此類故障的必要前提)。電池在充電時,鋰離子還原時形成的樹枝狀金屬鋰就是枝晶,會穿過固態(tài)、陶瓷和電解質(zhì)繼續(xù)蔓延,從而導致電池短路。

很久之前,研究人員就知道固態(tài)電池的陽極會產(chǎn)生孔隙,但是人們還沒有理解此類孔隙在枝晶形成過程中的作用。該研究將前沿電化學和成像技術相結合,基本能夠理解孔隙在電池循環(huán)中形成,以及孔隙在電池枝晶生長以及電池故障中的作用。

研究固態(tài)電池的科學家面臨兩個挑戰(zhàn):1、當電池在充電和不充電狀態(tài)之間循環(huán)時,需要防止枝晶生長。2、固體電解質(zhì)和鋰陽極(帶負電荷的電極)在放電過程中會形成孔隙,導致電池兩部分之間的接觸面積減少。

使用兩個普通電極的電池很難區(qū)分鋰電鍍和鋰剝離的過程,因此該研究的研究人員采用了三極電池,分別研究了在鋰金屬/陶瓷界面處鋰電鍍和鋰剝離過程對電池循環(huán)的影響,而且選用Li6PS5Cl作為固體電解質(zhì),此類硫化物的電導率比氧化物高,一些試圖實現(xiàn)固態(tài)電池商業(yè)化的公司都將其作為電解質(zhì)。與其他高導電性的硫化物相比,該硫化物不那么易碎。

研究人員發(fā)現(xiàn),如果要避免在固態(tài)電池內(nèi)形成枝晶,就需要在鋰離子剝離(CCS)過程中,控制在關鍵電流密度之下(即開始形成孔隙的臨界電流密度)進行電池循環(huán)。即使電流密度低于鋰電鍍過程中枝晶形成時的閾值,也是如此。當電流密度大于CCS時的電流密度,電池循環(huán)中會累積孔隙,固體電解質(zhì)的接觸面積相應減小,導致局部電流密度增大,直至形成枝晶,導致電池短路和故障。

雖然小型、不可二次充電的商用固態(tài)電池越來越多,例如用于心臟檢測等醫(yī)療植入物等。但是,電動汽車需要量產(chǎn)的固態(tài)電池,以確保其能夠在電動汽車使用壽命內(nèi)安全運行,且達到可接受的性能水平,現(xiàn)在量產(chǎn)固態(tài)電池仍存在相當大的挑戰(zhàn)。

目前電動汽車中采用的鋰離子電池包含易燃有機液體電解質(zhì),在電池充放電過程中,攜帶電荷的鋰離子會穿過電解質(zhì),此類液體存在安全隱患,將固態(tài)電解質(zhì)取代液態(tài)電解質(zhì)就可以消除火災風險。

全世界的科學家都在努力研發(fā)新型電池化學物質(zhì),以讓電池達到一定的性能(功率密度和能量密度),從而讓電動汽車的駕駛體驗與內(nèi)燃機汽車的體驗相當。研發(fā)具有鋰金屬陽極的先決條件就是消除液體電解質(zhì),從而顯著提升電池性能。