站长之家 - 业界 2021-11-11T20:37:05 +08:00

ORNL科学家找到用电化学脉冲改善锂固态电池接触阻抗的新方法

美国橡树岭国家实验室(ORNL)科学家们,刚刚在《ACS 能源快报》上介绍了可用电化学脉冲来克服下一代锂金属电池弱点的有效途径。New Atlas 指出,下一代储能装置的研发方向,主要涉及使用高密度锂金属和固态材料,而非液态的电解质。而 ORNL 的新研究,就很好了结合了这两方面,

科学家发现一种改善固态电池关键层接触的新方法(来自:ORNL)

此前,美国科学家已经展示了如何在电化学脉冲的帮助下,化解与这些架构相关的稳定性问题,从而为提升电动汽车 / 智能机续航而铺平了道路。

该研究的其中一部分,侧重于电池的阳极结构。目前常见的阳极材料,多由石墨和铜的混合物制成。不过鉴于极高的能量密度,许多研究正着力于使用纯锂金属作为替代阳极。

研究配图 - 1:电压脉冲对稳定锂离子的影响示意

迄今为止,想要将锂金属整合到电池中的做法,已被证明是相当困难的。期间科学家们遇到了各种安全问题,且一时难以化解。

一种观点认为,使用固体电解质来代替液体电解质的话,可能更适合搭配锂金属阳极一起使用。

研究配图 - 2:经历多个电压脉冲前后的锂电池

ORNL 的科学家们,显然也想到了这一研发路径,并且提出了能够以一种稳定、持久的方式,将两者结合到一起、而不在性能上有所妥协的新方法。

据悉,固态电池的一个弱电,就是持续的充放电循环会形成空隙、进而导致接头不稳 —— 也就是所谓的接触阻抗(Contact Impedance)。

研究配图 - 3:接口电流密度 / 温度示意

为了消除接触阻抗,其中一种方法是施加压力。但这种技术需要在电池服役时段内定期使用,且同样可能导致短路。

好消息是,ORNL 科学家们发现,在结合了锂金属阳极和固体电解质后,他们就能够通过施加较短的高压电化学脉冲,来有效地消除这些空隙。

研究配图 - 4:施加电压脉冲前后的锂电池

电压脉冲可以让电流包围并消除空隙,从而在材料接口处形成更广泛的接触。更棒的是,这套方案对于电池本身也没有不利影响。

通过巧妙运用该方法,我们甚至能够让电池恢复至初始容量。当然,这还得看未来几年的固态锂金属电池研究能够发展到哪个阶段。

研究配图 - 5:全电池在室温条件下接受电压脉冲循环后的 EIS 光谱

ORNL 研究团队指出,这套系统能够在更小的封装中,带来两倍于当今解决方案的能量密度。这意味着电动汽车可在每次充电后行驶得更远,智能机也可一次续航数天。

项目联合负责人 Ilias Belharouak 表示:“该方法有助实现全固态电池架构,而不会施加可能损坏电池的外力。开发期间,电池能够正常制造,然后在其疲劳时施加电压脉冲来刷新激活”。

研究配图 - 6:稳定固态电池(SSB)的界面对开发高能量密度电池至关重要

最后,ORNL 科学家们将持续开发这项技术,通过试验找到更先进的电解质材料、并研究如何将其规模扩展到可投入实际实际使用。

感兴趣的朋友,可移步至《ACS Energy Letters》查看全文,原标题为《Improving Contact Impedance via Electrochemical Pulses Applied to Lithium–Solid Electrolyte Interface in Solid-State Batteries》。

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