安全的固態(tài)鋰電池預(yù)示著能量?jī)?chǔ)存的范式轉(zhuǎn)變

生產(chǎn)安全，功能強(qiáng)大且價(jià)格合理的固態(tài)鋰電池的競(jìng)爭(zhēng)正在加速，最近有關(guān)使用固體非易燃陶瓷電解質(zhì)石榴石進(jìn)行改變游戲規(guī)則研究的公告在競(jìng)爭(zhēng)中稱(chēng)其具有革命性。

“這是能量?jī)?chǔ)存的范式轉(zhuǎn)變，”機(jī)械工程助理教授Kelsey Hatzell說(shuō)。一篇論文 - “孔隙連通性對(duì)同步輻射X射線斷層掃描中觀察到的LLZO電解質(zhì)中Li枝晶傳播的影響” - 描述了她對(duì)石榴石電解質(zhì)失效點(diǎn)的新研究，于3月在線發(fā)表在美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)的能源快報(bào)上，這是當(dāng)月閱讀最多的ACS Letters文章之一。

鋰離子電池通常含有可以著火的液體有機(jī)電解質(zhì)。使用不易燃的石榴石基電解質(zhì)消除了火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。用固體有機(jī)物如石榴石代替液體電解質(zhì)還可以通過(guò)延長(zhǎng)電池壽命來(lái)降低成本。

“固態(tài)電池適用于全電動(dòng)汽車(chē)和其他能源儲(chǔ)存和安全至關(guān)重要的應(yīng)用，”Hatzell說(shuō)。

Hatzell的團(tuán)隊(duì)測(cè)試了Li 7 La 3 Zr 2 O 12 - 鋰鑭氧化鋯或LLZO - 一種石榴石型材料，由于其高Li離子傳導(dǎo)性及其與Li金屬的兼容性，顯示出對(duì)全固態(tài)電池應(yīng)用的巨大希望。

“了解這些電解液系統(tǒng)中的失效機(jī)理對(duì)于設(shè)計(jì)彈性固體電解質(zhì)系統(tǒng)至關(guān)重要，”Hatzell說(shuō)。“LLZO的主要限制是在低電流密度下發(fā)生短路事件的傾向。”

Hatzell的研究使用同步加速器X射線斷層掃描技術(shù)跟蹤實(shí)際充電和放電事件后LLZO的結(jié)構(gòu)變化。該技術(shù)允許研究人員查看電池內(nèi)部并查看亞微米分辨率的3D結(jié)構(gòu)特征。

“大多數(shù)使用掃描電子或光學(xué)顯微鏡技術(shù)在固體電解質(zhì)中對(duì)鋰進(jìn)行成像的技術(shù)是使用掃描電子或光學(xué)顯微技術(shù)進(jìn)行破壞性或非原位進(jìn)行的。使用同步加速器工具在更現(xiàn)實(shí)的條件下測(cè)試材料使我們能夠探測(cè)埋藏的界面，”Hatzell說(shuō)，他的合著者是沉鳳玉，博士后研究員，研究生向輝蕭和馬克迪克西特。

“世界上只存在少數(shù)同步加速器和中子源.Marm是2017年全國(guó)中子和X射線散射學(xué)校入選的60名研究生之一。”作為該項(xiàng)目的一部分，他花了一周的時(shí)間在橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室一周，“Hatzell說(shuō)。

Argonne的高級(jí)光子源和ORNL的散裂中子源和高通量同位素反應(yīng)器允許對(duì)先進(jìn)材料和相互作用進(jìn)行納米級(jí)研究。Dixit能夠從領(lǐng)先的科學(xué)家和專(zhuān)家那里學(xué)習(xí)同步加速器表征技術(shù)。Hatzell的團(tuán)隊(duì)在Argonne進(jìn)行了所有測(cè)試。

“這些結(jié)果可能為下一代所有固態(tài)電池系統(tǒng)的材料設(shè)計(jì)提供信息。結(jié)果表明，空隙或連通孔的存在導(dǎo)致更高的故障率，”Hatzell說(shuō)。

“盡管仍有大量研究需要將固態(tài)設(shè)備推向市場(chǎng)，但它們?cè)诟吣芰棵芏入姵睾碗妱?dòng)汽車(chē)應(yīng)用中的應(yīng)用承諾正引起全球各界的廣泛興趣。”