2019-06-30 23:23:01
X射线成像提供了固态电池断裂的线索

固态电池 - 使用所有固体组件的新电池设计 - 近年来受到关注,因为它们有可能保持更多能量,同时避免其液体对应物的安全挑战。

但建造一个持久的固态电池说起来容易做起来难。现在,佐治亚理工学院的研究人员已经使用X射线计算机断层扫描(CT)实时可视化如何在电池材料之间的界面边缘附近形成裂缝。这些发现可以帮助研究人员找到改善储能装置的方法。

“固态电池可能比锂离子电池更安全,并可能保留更多能量,这对于电动汽车甚至电动飞机来说都是理想的,”George W. Woodruff机械工程学院助理教授Matthew McDowell表示。材料科学与工程学院。 “从技术上讲,这是一个非常快速发展的领域,并且有很多公司对此感兴趣。”

在典型的锂离子电池中,在两个电极(阴极和阳极)之间通过液体电解质转移锂离子期间释放能量。

该研究于6月4日在ACS Energy Letters杂志上发表,并由美国国家科学基金会赞助,研究小组制造了一种固态电池,其中固体陶瓷盘夹在两块固体锂之间。陶瓷盘取代了典型的液体电解质。

“弄清楚如何使这些固体碎片在一起并在长时间内表现良好是一项挑战,”McDowell说道。 “我们正在研究如何在这些固体碎片之间设计这些接口,以使它们尽可能长久地使用。”

与乔治亚理工学院George W. Woodruff机械工程学院的助理教授Christopher Saldana以及X射线成像专家合作,研究人员将电池置于X射线显微镜下并充电和放电,寻找指示退化的物理变化。在几天的过程中缓慢地,在整个盘中形成网状图案的裂缝。

这些裂缝是问题,并且随着锂金属和固体电解质之间的相间层的生长而发生。研究人员发现,循环过程中的这种断裂会导致对离子流动的阻力。

“这些是在界面处发生的不需要的化学反应,”McDowell说。 “人们普遍认为这些化学反应是细胞降解的原因。但我们通过这种成像学到的是,在这种特殊材料中,化学反应本身并不是坏的 - 它们不会影响性能电池坏了,细胞破裂,破坏了电池的性能。“

解决压裂问题可能是释放固态电池潜力的第一步,包括其高能量密度。研究人员指出,观察到的恶化可能会影响其他类型的固态电池,因此研究结果可能会导致设计更耐用的接口。

“在普通的锂离子电池中,我们使用的材料定义了我们可以存储的能量,”麦克道尔说。 “纯锂可以保持最多,但它不适用于液体电解质。但如果你可以使用固体锂与固体电解质,这将是能量密度的圣杯。”

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