桑迪亚国家实验室进行全新纳米级研究 使锂金属电池更强大、更持久

广汽汽车的研究人员一直致力于制造可靠的锂金属电池。与锂离子电池相比，这种高性能储能电池可以多储存50%的能量。然而，这种类型的电池容易发生故障，并存在爆炸性和易燃性等安全问题，这影响了其商业用途。研究人员对此提出了许多因果假设，但直接证据相对较少。

据外媒报道，在完整的锂金属纽扣电池中拍摄的第一批纳米级照片挑战了现有的主流理论，并将有助于未来制造高性能电池，使电动汽车更安全、更强大、续航时间更长。桑迪亚国家实验室的电池科学家凯蒂·哈里森带领一个团队进行了这项研究，以提高锂金属电池的性能。哈里森说：“我们发现，应该使用经过锂金属调整的阻隔材料。”最近，桑迪亚的研究人员与赛默飞世尔科学公司、俄勒冈大学和劳伦斯伯克利国家实验室合作，报告了这些图像。这项研究得到了桑迪亚实验室研发项目和能源部的资助。由于内部副产物的积累，电池研究人员在使用电动汽车时，需要高密度的电流来反复对锂按钮电池进行充电和放电。一些细胞只经历少量的周期，而另一些细胞则经历数百个周期。接下来，这些细胞被送往俄勒冈州希尔斯伯勒的赛默飞世尔科学公司进行分析。当研究人员观察电池内部的图像时，他们认为会在电池表面发现针状的锂沉积物。大多数电池研究人员认为，重复循环后形成的锂尖端会穿过正负电极之间的塑料屏障，形成一个导致短路的桥。然而，锂是一种软金属，研究人员不太清楚它是如何通过隔板的。令人惊讶的是，该团队发现了第二个罪魁祸首，即电池内部化学反应产生的副产物形成的硬质沉积物。每当电池充电时，这些被称为固体电解质面膜的副产品就会积聚起来。它覆盖了锂，并在隔板上形成小孔，为金属沉积物扩散提供了一个开口，最终导致短路。总的来说，锂沉积物和副产品的危害比以前想象的要大得多，因为它们的作用更像雪犁，而不是针头。哈里森说：“隔板已经被完全摧毁了。”这种机制只有在电动汽车技术需要快速充电时才会出现，但在较慢的充电速度下却没有发现。桑迪亚的研究人员计划改变隔断材料。然而，还需要进一步的研究来减少副产品的产生。科学家将激光和冷冻技术结合起来捕捉图像

很难找出按钮电池故障的原因。问题出在它的不锈钢外壳上。外部诊断方法，如X射线，由于金属外壳的原因而受到限制。对于用于分析的电池部件，使用外部方法消除了撕裂电池层的需要，并且不会破坏内部可能存在的任何证据。桑迪亚国家实验室综合纳米技术中心的纳米级成像科学家Katie Jungjohann说：“我们有各种工具来研究电池的不同成分。然而，我们还没有一种工具可以用一张图像解决所有问题。”Jungjohan和同事们使用了一种显微镜，激光可以穿透电池外壳。显微镜连接到样品支架上，样品支架用于支撑冻结在-100°C至-120°C之间的电解质。激光器提供了足够的开口，允许窄电子束穿透并反弹到探测器上，提供电池内部横截面的高分辨率图像，以及可以区分不同材料的所有可用细节。实际的演示仪器是当时美国唯一的此类工具，由俄勒冈州的赛默飞世尔科学实验室开发，现在仍然可用。目前，更新后的副本在桑迪亚可用，将被广泛用于帮助解决许多材料和故障分析问题。

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