導(dǎo)致鋰金屬電池壽命不長(zhǎng)的原因
來(lái)源：未知
2019-06-06 10:27
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隨著電動(dòng)汽車、智能手機(jī)和無(wú)人機(jī)等對(duì)更高能量密度的鋰金屬電池的需求增加，SEI的不穩(wěn)定性成為阻礙鋰金屬電池發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題，因?yàn)樵撾姵氐匿囯姌O表面的一層鹽層會(huì)將SEI隔離，并且傳導(dǎo)鋰離子。
作為鋰金屬電池內(nèi)最不為人所知的部分，SEI的降解促進(jìn)了樹(shù)突的形成。樹(shù)突是一種針狀結(jié)構(gòu)，從電池的鋰電極中生長(zhǎng)出來(lái)，會(huì)對(duì)電池的性能和安全性產(chǎn)生負(fù)面影響。
機(jī)械與化學(xué)工程教授Wang表示：“這就是為什么鋰金屬電池壽命不長(zhǎng)的原因，界面膜一生長(zhǎng)，電池就會(huì)不穩(wěn)定。在該項(xiàng)目中，我們使用了聚合物復(fù)合材料來(lái)打造更好的SEI。”該項(xiàng)目由化學(xué)博士生YueGao領(lǐng)導(dǎo)，研發(fā)的增強(qiáng)型SEI是一個(gè)反應(yīng)性聚合物復(fù)合材料，由聚合物鋰鹽、氟化鋰納米顆粒以及氧化石墨烯片組成，新型電池組件的結(jié)構(gòu)就包含一層薄薄的此類材料。
研究人員研發(fā)的聚合物能夠與鋰金屬表明形成爪狀鍵合，以無(wú)源方式為鋰表面提供所需能量，使其不會(huì)與電解質(zhì)中的分子發(fā)生反應(yīng)，而納米片在復(fù)合材料中起到機(jī)械屏障的作用，防止鋰金屬中形成樹(shù)突。
通過(guò)化學(xué)和工程設(shè)計(jì)以及合作，該技術(shù)能夠在原子水平上控制鋰表面。此外，該反應(yīng)性聚合物還減輕了電池重量、降低了制造成本，進(jìn)一步促進(jìn)鋰金屬電池未來(lái)發(fā)展。我們可以弄清楚如何穩(wěn)定電池表面，使真正高容量的電池成為現(xiàn)實(shí)。”據(jù)Cho所說(shuō)，高能量密度電池價(jià)格很貴的原因是非常不穩(wěn)定。“電池不斷充電時(shí)，電池材料會(huì)開(kāi)始降解。釋放的能量會(huì)讓電池溫度升高，從而使電池著火，產(chǎn)生電池安全問(wèn)題。好消息是現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)，只有電池材料表面是不安全、不穩(wěn)定的，如果可以解決該問(wèn)題，就可解決電池安全問(wèn)題。”
在電池不斷的充電和再充電過(guò)程中，氧氣會(huì)從電池材料表面釋放出來(lái)。在此過(guò)程中，鋰離子從內(nèi)部到外部的運(yùn)輸通道可能會(huì)被隨氧氣釋放而產(chǎn)生的金屬鎳粉塵所堵塞。當(dāng)通道被堵塞時(shí)，想要進(jìn)出電池內(nèi)外的鋰離子將無(wú)法轉(zhuǎn)移，從而導(dǎo)致電池容量會(huì)快速下降。隨著熱量的增加，電池起火和爆炸的幾率也會(huì)增加。
該研究小組認(rèn)為，此次發(fā)現(xiàn)可能會(huì)改變制造商生產(chǎn)電池的方式。Cho博士建議，可以在電池表面添加一層經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)的氧化物涂層。解決電池過(guò)熱難題，可將電池容量提高20%至30%，改造后的電池可以經(jīng)受住更長(zhǎng)的充電時(shí)間。
基于上述新發(fā)現(xiàn)，該研究小組表示，已經(jīng)有業(yè)界人士有興趣與達(dá)拉斯分校合作，研發(fā)用于電動(dòng)汽車電池的下一代陰極材料。此外，該研究小組還與美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室（U.S.NavalResearchLaboratory）實(shí)驗(yàn)室合作，進(jìn)行一項(xiàng)后續(xù)研究，以提高電池陰極材料的容量和安全性。
作為鋰金屬電池內(nèi)最不為人所知的部分，SEI的降解促進(jìn)了樹(shù)突的形成。樹(shù)突是一種針狀結(jié)構(gòu)，從電池的鋰電極中生長(zhǎng)出來(lái)，會(huì)對(duì)電池的性能和安全性產(chǎn)生負(fù)面影響。
機(jī)械與化學(xué)工程教授Wang表示：“這就是為什么鋰金屬電池壽命不長(zhǎng)的原因，界面膜一生長(zhǎng)，電池就會(huì)不穩(wěn)定。在該項(xiàng)目中，我們使用了聚合物復(fù)合材料來(lái)打造更好的SEI。”該項(xiàng)目由化學(xué)博士生YueGao領(lǐng)導(dǎo)，研發(fā)的增強(qiáng)型SEI是一個(gè)反應(yīng)性聚合物復(fù)合材料，由聚合物鋰鹽、氟化鋰納米顆粒以及氧化石墨烯片組成，新型電池組件的結(jié)構(gòu)就包含一層薄薄的此類材料。
研究人員研發(fā)的聚合物能夠與鋰金屬表明形成爪狀鍵合，以無(wú)源方式為鋰表面提供所需能量，使其不會(huì)與電解質(zhì)中的分子發(fā)生反應(yīng)，而納米片在復(fù)合材料中起到機(jī)械屏障的作用，防止鋰金屬中形成樹(shù)突。
通過(guò)化學(xué)和工程設(shè)計(jì)以及合作，該技術(shù)能夠在原子水平上控制鋰表面。此外，該反應(yīng)性聚合物還減輕了電池重量、降低了制造成本，進(jìn)一步促進(jìn)鋰金屬電池未來(lái)發(fā)展。我們可以弄清楚如何穩(wěn)定電池表面，使真正高容量的電池成為現(xiàn)實(shí)。”據(jù)Cho所說(shuō)，高能量密度電池價(jià)格很貴的原因是非常不穩(wěn)定。“電池不斷充電時(shí)，電池材料會(huì)開(kāi)始降解。釋放的能量會(huì)讓電池溫度升高，從而使電池著火，產(chǎn)生電池安全問(wèn)題。好消息是現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)，只有電池材料表面是不安全、不穩(wěn)定的，如果可以解決該問(wèn)題，就可解決電池安全問(wèn)題。”
在電池不斷的充電和再充電過(guò)程中，氧氣會(huì)從電池材料表面釋放出來(lái)。在此過(guò)程中，鋰離子從內(nèi)部到外部的運(yùn)輸通道可能會(huì)被隨氧氣釋放而產(chǎn)生的金屬鎳粉塵所堵塞。當(dāng)通道被堵塞時(shí)，想要進(jìn)出電池內(nèi)外的鋰離子將無(wú)法轉(zhuǎn)移，從而導(dǎo)致電池容量會(huì)快速下降。隨著熱量的增加，電池起火和爆炸的幾率也會(huì)增加。
該研究小組認(rèn)為，此次發(fā)現(xiàn)可能會(huì)改變制造商生產(chǎn)電池的方式。Cho博士建議，可以在電池表面添加一層經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)的氧化物涂層。解決電池過(guò)熱難題，可將電池容量提高20%至30%，改造后的電池可以經(jīng)受住更長(zhǎng)的充電時(shí)間。
基于上述新發(fā)現(xiàn)，該研究小組表示，已經(jīng)有業(yè)界人士有興趣與達(dá)拉斯分校合作，研發(fā)用于電動(dòng)汽車電池的下一代陰極材料。此外，該研究小組還與美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室（U.S.NavalResearchLaboratory）實(shí)驗(yàn)室合作，進(jìn)行一項(xiàng)后續(xù)研究，以提高電池陰極材料的容量和安全性。
