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锂电池燃烧问题突破,有望推出安全、轻薄的锂电池产品

发表时间:2022-11-20 10:08作者:科技前沿

近日,MIT麻省理工学院研究人员开发出了一种全新的电池技术。这是一种全新的、可充电的锂电池,这种电池比当前版本更轻、更紧凑、更安全,世界各地的实验室多年来一直在追求这一点。

这项新的锂电池技术的关键点是利用更薄、更轻的固体陶瓷材料层取代目前的位于正极和负极之间的液体电解质,并用固体锂金属取代其中一个电极。这将大大减小电池的整体尺寸和重量,并消除与易燃液体电解质相关的安全风险。


锂电池为什么容易自燃?

锂电池起火的原因

各地的科学家一直在解决锂电池的安全问题,一直被一个大问题所困扰:枝晶问题。


什么是枝晶?

枝晶,全称是枝蔓晶体,英文是dendrites,枝晶是以典型的多枝树状形式发展的晶体,这里是指锂纤维的微观结构目前的锂电池在高速充电的时候,尤其会形成枝晶。枝晶会导致电池短路甚至起火。枝晶状物的名字来源于拉丁语中的树枝,是金属的树枝状突起,可以在锂表面堆积并渗透到固体电解质中,最终从一个电极穿过另一个电极,使电池短路,产生燃烧、爆炸。研究人员尚未就产生这些金属枝杈的原因达成一致,在如何防止这些金属丝,从而使轻质固态电池成为一种实用的选择方面也没有太大进展。

MIT这项新的研究今天发表在《焦耳》杂志上,该研究解决了枝晶形成的原因问题。它还显示了如何防止枝晶穿过电解质。

该研究小组在早期的工作中意外的发现,用于固态电池的坚硬固体电解质材料在电池充电和放电过程中,锂离子在电池两侧移动时,可以被锂穿透,锂是一种非常软的金属。

这种锂离子来回穿梭,导致电极的体积发生变化。这不可避免地在固体电解质中产生应力,固体电解质必须与夹着它的两个电极完全接触。要保存这种锂金属,要增加新的质量,必须扩大体积。所以,存放锂的电池一侧的体积会增加。如果存在微小的缺陷,这会对这些缺陷产生压力,从而导致开裂。”

该团队的研究表明,这些应力会导致裂纹,从而导致枝晶的形成。解决问题的方法是施加更多的应力,而且施加应力的方向正确,施加的应力大小也要适当。

此前,一些研究人员认为枝晶是由纯电化学过程而非机械过程形成的,但该团队的实验表明,导致问题的是机械应力造成的。

枝晶的形成过程通常发生在电池单元不透明材料的深处,无法直接观察,因此该团队开发了一种使用透明电解质制造薄电池的方法,可以直接观察和记录整个过程。研究人员可以看到当对系统施加压力时会发生什么情况,可以看到枝晶的行为是否与腐蚀过程或断裂过程相符。

该团队证明,他们可以通过施加和释放压力来直接控制枝晶的生长,从而使枝晶与力的方向完美匹配。

对固体电解质施加机械应力并不能消除枝晶的形成,但可以控制枝晶的生长方向。这意味着可以引导它们保持与两个电极平行,并防止它们交叉到另一侧,从而使其对锂电池安全无害。


解决锂电池自然的方法

在他们的测试中,研究人员使用了弯曲材料所产生的压力,这种材料形成了一端有重物的梁。但他们表示,在实践中,可能有许多不同的方式来产生所需的压力。例如,电解质可以由两层具有不同热膨胀比率的材料制成,因此材料会发生固有弯曲,这在一些恒温器中经常用到。

另一种方法是将一些原子混杂入材料,使其嵌入其中,使材料变形,并使其处于永久应力状态。这与生产智能手机和平板电脑屏幕所用的超硬玻璃的方法相同。所需的压力并不极端:实验表明,150至200兆帕的压力足以阻止枝晶穿过电解质。所需的压力与商业薄膜生长过程和许多其他制造过程中常见的应力相当,因此在制造过程中不难实现。

事实上,一种不同的应力,称为堆叠压力,通常施加在电池单元上,其基本上是在垂直于电池板的方向挤压材料,有点像通过在其上放置重物来压缩三明治。人们认为这可能有助于防止这些层分离。但现在的实验表明,这个方向的压力实际上会加剧枝晶的形成。该团队发现这种类型的堆压力实际上加速了枝晶引起的电池失效。

相反,所需要的压力是沿着板的平面的压力,就像三明治从侧面被挤压一样。当你施加压力时,你可以迫使枝晶沿着压缩方向移动,如果这个方向沿着板的平面,枝晶永远不会到达另一侧。

这可能最终让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下储存更多的能量,而且可以消除对液体电解质的需求,因为液体电解质是易燃材料。

在展示了所涉及的基本原理之后,团队的下一步将是尝试将这些原理应用于功能性原型电池的创建,然后精确地找出批量生产此类电池所需的制造工艺。

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,因为已经有公司在研发固态电池。研究人员希望锂电池行业在开发新产品的时候,利用这一新发现,开发出更好的锂电池产品。


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