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科学家发现锂电池产生枝晶的罪魁祸首 与电解质中某物质有关

据外媒报道,科学家们发现了锂离子电池中针状结构(即树突和枝晶)生长的根本原因,此种结构有时会导致锂离子电池短路、故障甚至起火。

美国能源部西北太平洋国家实验室( Department of Energy's Pacific Northwest National Laboratory,PNNL)的一个研究小组发现,电池电解质(使电池发生关键化学反应的液体材料)中某些化合物促进了树突和枝晶的生长。研究小组希望该发现可以促进新方法的研发,最终通过控制电池成分组织树突和枝晶的生长。

树突是一种微小、坚硬的树状结构,会在锂电池中生长,其针状突起的部分称为枝晶。两种东西都会造成巨大伤害,能够穿透电池内部的隔膜,就像杂草可以穿透水泥露台或铺好的道路一样。而且,此类物质还会增加电解质与锂之间的不良反应,加速电池失效。锂金属电池的能量密度比常用的锂离子电池更高,不过,树突和枝晶的存在阻碍了锂金属电池的普及。

PNNL团队发现,锂金属电池中的枝晶源于“SEI”膜(固态电解质中间相),即阳极固态锂表面与液态电解质之间的薄膜。此外,科学家们还发现了枝晶生长的罪魁祸首:碳酸乙烯。碳酸乙烯是一种不可或缺的溶剂,可添加到电解质中以提高电池性能。结果证明,正是碳酸乙烯让电池容易损坏。

研究人员为该研究专门设计了纳米大小的锂金属电池,再采用视频一步步地展示了电池中枝晶的生长过程。

当锂离子开始在阳极聚集或“成核”时,树突就开始形成,一开始是粒子大小,表示了树突的诞生。随着越来越多的锂原子聚集在一起,该结构就会慢慢生长,犹如石笋从洞穴底部生长出来一样。研究小组发现,SEI表面的能量动力会将更多锂离子推向缓慢增长的树突柱上。然后,突然,一根枝晶长出来了。

对于该团队来说,捕捉枝晶生长出来的瞬间并不容易。为此,科学家们结合使用了原子力显微镜(AFM)和环境投射电子显微镜(ETEM)。ETEM是一种非常珍贵的仪器,可以让科学家们在真实条件下研究电池的工作状态。

该团队采用AFM测量了枝晶生长时的微小力量,并且通过将AFM的悬臂顶部向下压,测量出枝晶生长的力量,并且测量了枝晶生长过程中树突对其施加的力量。

研究小组发现,碳酸乙烯的含量与树突和枝晶的生长有直接关系。研究小组在电解质中添加的碳酸乙烯越多,就会生长越多的枝晶。科学家们利用电解质混合物做实验,改变其成分,以减少树突,例如,研究人员添加了环已酮,就可以阻止树突和枝晶的生长。

了解电池中枝晶产生和生长的原因,可以为消除枝晶或者控制枝晶,最终防止电池损害提供新思路。研究人员表示,更深入地了解电池枝晶将有助于为锂金属电池在电动汽车、笔记本电脑、手机和其他领域的广泛应用扫清道路。

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