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研究人員探討如何避免電池鋰枝晶穿透現(xiàn)象

時間:2020-09-24 09:47來源:蓋世汽車作者:Elisha

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WUSTL

隨著消費者需求的增長，工程師們需要在保持甚至提高電池容量的同時，設計出更加緊湊的電池。從理論上看，在不把充電電流密度提高到臨界點(即極限電流密度)的情況下，電池容量似乎還有很大的增長空間。超過臨界點，電池才會短路。然而，在當前的電池工作密度（即在限定的時間內(nèi)通過特定區(qū)域的電荷量）下，雖然該數(shù)值遠低于臨界點，電池已經(jīng)失效。

據(jù)外媒報道，華盛頓大學麥凱維工程學院（McKelvey School of Engineering）助理教授Peng Bai的實驗室研究表明，不僅可以使電池在電流密度接近臨界點時才發(fā)生短路，而且能夠精確預測任一特定電流密度下的短路時間。

導致鋰電池失效的原因有很多，其中一個問題由來已久，即高電流密度下出現(xiàn)的枝晶穿透現(xiàn)象。鋰枝晶是一種樹形結(jié)構(gòu)，形成于電池的鋰鍍層上。它們可以迅速穿過電池的陶瓷隔膜，即電池正極和負極之間的多孔塑料膜。一旦枝晶穿過隔膜，電池就會短路。枝晶生長取決于電流密度，當電流密度高于預期或設計的3個數(shù)量級時，電池中會出現(xiàn)枝晶。在之前的研究中，研究人員打開電池，會看到隔膜上的黑點，那就是枝晶穿透隔膜的位置。

主要研究人員Youngju Lee進行同樣的研究，分析黑點覆蓋的區(qū)域。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，它們占隔膜總面積的0.1%，這意味著對應的電流要比預期值高1000倍。在沒有達到臨界電流密度的情況下，電池怎么會短路，這是一個謎題。Bai說：“在設計電池時，我們使用電極或隔膜的整個面積來計算電流密度。”但是，高電流密度是局部發(fā)生的。

研究人員利用一種獨特的、透明的微管電芯，來觀察鋰金屬生長動態(tài)，通過隔膜孔，重建實際的金屬刺穿動態(tài)過程。Bai說：“我們發(fā)現(xiàn)它比我們想象的更復雜，它對通道的幾何形狀非常敏感。”他們發(fā)現(xiàn)，從本質(zhì)上看，具有收斂截面面積的單一電解液通道，以及有效實用的隔膜（在金屬生長方向上可能導致穿透孔越來越少），將加速并加劇這種動態(tài)，導致電池更快短路。Lee說：“如果你擁有擴張的通道，你可以延遲甚至避免枝晶形成。這就是我們的發(fā)現(xiàn)。”

研究人員不僅描述了這種關(guān)系，而且用一個數(shù)字來表達。Lee表示：“物理量、電流密度和短路時間非常重要，這個數(shù)字定義了它們之間的關(guān)系。”如果這個數(shù)字(Sand公式中的指數(shù))小于負2，那么你就會擁有更安全的鋰離子電池。如果高于負2，比如-1.5，那就不好了。Bai說：“你的電池會很快短路，早于標準模型預測的時間。”

Bai 指出，“人們很容易將電池失效歸咎于枝晶穿透，但更重要的是，要徹底理解實際情況下的動態(tài)。然而，我們從未做過的是，能夠一致地預測所有電流密度下的所有短路時間。

“我們找到了一種方法，不僅更加精確，而且可以進行預測，因為我們知道這個系統(tǒng)的真實物理狀態(tài)。因此，我們可以依靠這個單一的數(shù)字，即Sand的時間指數(shù)，來評估隔膜的安全水平，并指導優(yōu)化，使其小于-2，這樣我們就可以避免枝晶全部穿透。”

(責任編輯：子蕊)

文章標簽：電池鋰枝晶穿透

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