为下一代锂电池注入电池寿命

2019-01-15 09:12:29
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树枝状晶体,电池内部生长的锂晶须,可能会像三星Galaxy Note 7那样引起火灾,是下一代锂电池的祸根。

虽然它们通常在封闭的牢房中在黑暗的掩护下传播,但密歇根大学的一组研究人员通过切断电池窗口并拍摄树枝状物来监视它们(他们探测的电池是下一代)锂金属电池,而不是商用手机和其他消费类电子产品中使用的锂离子电池类型。

这项工作可以帮助研究人员安全地将锂电池提升到新的水平。

锂硫和锂空气电池 - 通常被称为锂金属电池,因为它们具有全金属电极 - 有可能在与当前最先进的锂离子电池相同的空间中储存10倍的能量。

然而,这些先进版本中的全金属电极特别容易形成树枝状晶体。树枝状晶体迅速降低电池性能,引起安全问题并缩短其寿命。

美国机械工程硕士助理教授Neil Dasgupta说:“没有人愿意购买一种电动汽车,每次使用后每次充电可以减少300到100英里。”

更糟糕的是,枝晶可以刺穿电极之间的膜,使电池短路。没有人想要一辆自发燃烧的电动汽车。

虽然众所周知树枝状晶体是市场上尚未出现的锂金属电池的问题,但是它们在当今商用锂离子电池中引起问题的作用却鲜为人知。研究人员还不知道是什么原因导致三星手机发生故障,导致公司召回。一些可疑的树突可能是罪魁祸首。

“随着研究人员试图在相同数量的空间中塞入越来越多的能量,像树突这样的形态问题成为主要挑战。虽然我们还不完全知道Note 7s爆炸的原因,但是枝状物会发生类似这样的坏事,”Kevin Wood说。 ,一位机械工程博士后研究员,帮助开发了电池窗。“如果我们将来需要高能量密度电池并且不希望它们爆炸,我们需要解决枝晶问题。”

Dasgupta和Wood寻找更好的方法来了解电池内部的情况。最常用的先前技术集中在电池运行时的电化学测量。然后,在实验结束后对电池进行尸体解剖,揭示内部发生的物理变化。通过这种方法,研究人员可以看到树突。但他们看不出他们是如何成长的。

为了捕捉树枝状动物,Dasgupta的小组将窗户电池安装在高清视频显微镜上并连接它,以便它们可以监测枝晶生长和两个电极之间的电压,这在充电和放电循环期间会发生变化。通过这种方式,他们通过电压测量将他们对电极的观察结果 - 无论是枝晶生长还是缩小,以及降解的一般状态。然后,他们将电压模式与特定的树枝状活动联系起来。

该设备帮助该团队确切了解为什么树枝状晶体在下一代锂金属电池中生长。他们研究了一种带有两个锂电极的电池,以避免使用不同电极的问题复杂化,从而产生自身问题。

“我们的窗户电池是一个可供全球研究人员使用的简单平台,”Dasgupta说。“它可以在任何实验室中使用光学显微镜,简单的电化学设备,机加工厂和100美元的预算进行复制。”

研究人员能够看到枝状晶体在电极表面积聚锂的情况下生长,并在循环逆转时收缩,从而将锂从表面拉出。当锂被去除时,他们看到电极中的凹坑形成,他们看到这些凹坑在下一个循环中如何成为树枝状晶体的成核位置。

锂枝晶看起来很奇怪有机,就像植物在电池循环过程中生长和萎缩一样。一些枝晶断了,变成了“死锂”漂浮在电池周围。

该团队发现并非所有树突都意味着严重的伤害。如果枝晶很小并且均匀地铺设电极表面,则更多的锂仍然存在。伍德说,在这种情况下,电池性能保持稳定。

“如果你想达到实际操作条件,我认为没有办法真正防止枝晶生长,”他说。“但通过控制枝晶生长,您可以使用寿命更长,安全性更高的电池。

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