固態(tài)電池是一種全新的電池設(shè)計(jì)，它使用了所有的固態(tài)元件，近年來(lái)受到了人們的關(guān)注，因?yàn)楣虘B(tài)電池在儲(chǔ)存更多能量的同時(shí)，還能避免液態(tài)電池所面臨的安全挑戰(zhàn)。但制造一種持久耐用的固態(tài)電池，說(shuō)起來(lái)容易但做起來(lái)難。

現(xiàn)在，佐治亞理工學(xué)院研究人員已經(jīng)使用x射線計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)來(lái)實(shí)時(shí)觀察電池中材料之間的界面邊緣是如何形成裂縫。這些發(fā)現(xiàn)可以幫助研究人員找到改進(jìn)儲(chǔ)能設(shè)備的方法。

喬治w伍德拉夫機(jī)械工程學(xué)院和材料科學(xué)與工程學(xué)院的助理教授馬修麥克道爾(Matthew McDowell)說(shuō)：固態(tài)電池可能比鋰離子電池更安全，而且可能儲(chǔ)存更多的能量，這對(duì)電動(dòng)汽車(chē)乃至電動(dòng)飛機(jī)都是理想的。從技術(shù)上講，這是一個(gè)快速發(fā)展的領(lǐng)域，有很多公司對(duì)此感興趣。在典型的鋰離子電池中，鋰離子通過(guò)液體電解質(zhì)在兩個(gè)電極(陰極和陽(yáng)極)之間轉(zhuǎn)移時(shí)釋放能量。這項(xiàng)研究由美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)(National Science Foundation)贊助。

其研究成果發(fā)表在《美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)能源通訊》(ACS Energy Letters)上。在這項(xiàng)研究中，研究團(tuán)隊(duì)制造了一種固態(tài)電池，其中一個(gè)固態(tài)陶瓷圓盤(pán)夾在兩片固態(tài)鋰之間，陶瓷盤(pán)取代了傳統(tǒng)的液體電解質(zhì)。弄清楚如何把這些堅(jiān)固的部件組裝在一起，并在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)保持良好的性能，是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。正在研究如何設(shè)計(jì)這些固體部件之間的接口，讓它們盡可能長(zhǎng)時(shí)間地使用。在與喬治亞理工大學(xué)喬治w伍德拉夫機(jī)械工程學(xué)院助理教授、x射線成像專(zhuān)家Christopher Saldana的合作下：

研究人員將電池置于x射線顯微鏡下，對(duì)其進(jìn)行充電和放電，尋找表明電池退化的物理變化，在幾天的過(guò)程中，圓盤(pán)上慢慢地形成了網(wǎng)狀裂紋。這些裂紋就是問(wèn)題所在，并伴隨著金屬鋰和固體電解質(zhì)之間相間層的生長(zhǎng)而出現(xiàn)。研究人員發(fā)現(xiàn)，這種斷裂在循環(huán)過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致對(duì)離子流動(dòng)的阻力。這些都是在界面上發(fā)生的不需要的化學(xué)反應(yīng)，人們通常認(rèn)為這些化學(xué)反應(yīng)是導(dǎo)致退化的原因。但是通過(guò)這個(gè)成像學(xué)到的是，在這種特殊的材料中，并不是化學(xué)反應(yīng)本身不好。

壞的是細(xì)胞斷裂，破壞了細(xì)胞的性能。解決壓裂問(wèn)題可能是開(kāi)啟固態(tài)電池潛能的第一步，包括其高能量密度。研究人員指出，觀察到的電池老化可能會(huì)影響其他類(lèi)型的固態(tài)電池，因此，研究結(jié)果可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)出更耐用的接口。在普通的鋰離子電池中，使用的材料決定了可以?xún)?chǔ)存多少能量，純鋰的容量最大，但它與液態(tài)電解質(zhì)的配合并不好。但如果能將固態(tài)鋰與固態(tài)電解質(zhì)結(jié)合使用，那將是能量密度研究的圣杯。

博科園｜研究/來(lái)自：佐治亞理工學(xué)院

參考期刊《ACS Energy Letters》

DOI: 10.1021/acsenergylett.9b00816

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