牛津大学科学家揭秘全固态电池故障原因 或加速实现固态电池量产

据国外媒体报道，全固态电池是一种所有组件都是固态的电池。由于它可以储存更多的能量，并具有更安全运行的潜力，成为取代锂离子电池的下一代电池，引起了人们的关注。如果固态电池能够量产，将为电动汽车(EV)行业带来革命性的变化，因为它可以有效增加电动汽车的续航里程，并显著降低电动汽车的体积和重量。然而，固态电池在实际电流下循环(反复充放电)后会失效，这也是其大规模商业化的障碍之一。

(来源:自然科学杂志)然而，英国牛津大学法拉第研究所的研究人员采取措施，了解固态电池的故障机制(避免此类故障的必要前提)。当电池充电时，锂离子还原形成的树枝状金属锂为枝晶，会通过固态、陶瓷、电解液不断扩散，导致电池短路。研究人员很早就知道固态电池的阳极会产生孔隙，但人们一直不了解这种孔隙在枝晶形成中的作用。这项研究结合了前沿的电化学和成像技术，可以基本了解电池循环中孔隙的形成以及孔隙在电池枝晶生长和电池失效中的作用。研究固态电池的科学家面临两个挑战:1 .当电池在充电和未充电状态之间循环时，有必要防止枝晶生长。2.固体电解质和锂阳极(带负电的电极)在放电过程中会形成孔隙，这会减少电池两部分之间的接触面积。由于两种普通电极的电池很难区分电镀锂和剥锂的过程，因此本研究的研究人员采用了三极电池来研究锂金属/陶瓷界面处电镀锂和剥锂对电池循环的影响，并选择Li6PS5Cl作为固体电解质。这种硫化物的导电性高于氧化物，一些试图实现固态电池商业化的公司将其作为电解液。与其他高导电性的硫化物相比，这种硫化物并不那么脆弱。研究人员发现，如果要在固态电池中避免枝晶，就必须在锂离子剥离(CCS)过程中，将电池循环控制在临界电流密度(即孔隙开始形成的临界电流密度)下。即使电流密度低于在锂电镀过程中形成枝晶时的阈值，也是如此。当电流密度大于CCS时，电池循环中会积累气孔，固体电解质接触面积相应减小，导致局部电流密度增大，直至形成枝晶，导致电池短路失效。虽然现在有越来越多的小型、不可充电的商用固态电池，比如用于心脏检测的医用植入物等。但电动汽车需要量产的固态电池，才能保证在电动汽车的使用寿命内安全运行，达到可以接受的性能水平。现在大规模生产固态电池还有相当大的挑战。目前电动汽车使用的锂离子电池含有易燃有机液体电解液。电池在充放电过程中，带电荷的锂离子会穿过电解液，存在安全隐患。用固体电解质代替液体电解质可以消除火灾危险。世界各地的科学家都在努力开发新的电池化学物质，使电池达到一定的性能(功率密度和能量密度)，使电动汽车的驾驶体验与内燃机相当。开发锂金属负极的前提是消除液体电解质，从而显著提高电池性能。据国外媒体报道，全固态电池是一种所有组件都是固态的电池。由于它可以储存更多的能量，并具有更安全运行的潜力，成为取代锂离子电池的下一代电池，引起了人们的关注。如果……e固态电池可以量产，它将给电动汽车(EV)行业带来革命性的变化，因为它可以有效增加电动汽车的续航里程，并显著降低电动汽车的体积和重量。然而，固态电池在实际电流下循环(反复充放电)后会失效，这也是其大规模商业化的障碍之一。

(来源:自然科学杂志)然而，英国牛津大学法拉第研究所的研究人员采取措施，了解固态电池的故障机制(避免此类故障的必要前提)。当电池充电时，锂离子还原形成的树枝状金属锂为枝晶，会通过固态、陶瓷、电解液不断扩散，导致电池短路。研究人员很早就知道固态电池的阳极会产生孔隙，但人们一直不了解这种孔隙在枝晶形成中的作用。这项研究结合了前沿的电化学和成像技术，可以基本了解电池循环中孔隙的形成以及孔隙在电池枝晶生长和电池失效中的作用。研究固态电池的科学家面临两个挑战:1 .当电池在充电和未充电状态之间循环时，有必要防止枝晶生长。2.固体电解质和锂阳极(带负电的电极)在放电过程中会形成孔隙，这会减少电池两部分之间的接触面积。由于两种普通电极的电池很难区分电镀锂和剥锂的过程，因此本研究的研究人员采用了三极电池来研究锂金属/陶瓷界面处电镀锂和剥锂对电池循环的影响，并选择Li6PS5Cl作为固体电解质。这种硫化物的导电性高于氧化物，一些试图实现固态电池商业化的公司将其作为电解液。与其他高导电性的硫化物相比，这种硫化物并不那么脆弱。研究人员发现，如果要在固态电池中避免枝晶，就必须在锂离子剥离(CCS)过程中，将电池循环控制在临界电流密度(即孔隙开始形成的临界电流密度)下。即使电流密度低于在锂电镀过程中形成枝晶时的阈值，也是如此。当电流密度大于CCS时，电池循环中会积累气孔，固体电解质接触面积相应减小，导致局部电流密度增大，直至形成枝晶，导致电池短路失效。虽然现在有越来越多的小型、不可充电的商用固态电池，比如用于心脏检测的医用植入物等。但电动汽车需要量产的固态电池，才能保证在电动汽车的使用寿命内安全运行，达到可以接受的性能水平。现在大规模生产固态电池还有相当大的挑战。目前电动汽车使用的锂离子电池含有易燃有机液体电解液。电池在充放电过程中，带电荷的锂离子会穿过电解液，存在安全隐患。用固体电解质代替液体电解质可以消除火灾危险。世界各地的科学家都在努力开发新的电池化学物质，使电池达到一定的性能(功率密度和能量密度)，使电动汽车的驾驶体验与内燃机相当。开发锂金属负极的前提是消除液体电解质，从而显著提高电池性能。

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