673886040@qq.com
Стэнфордский прорыв прокладывает путь к литий-металлическим батареям следующего поколения, которые з
Новые литий-металлические батареи с твердыми электролитами легкие, легковоспламеняющиеся, содержат много энергии и могут очень быстро перезаряжаться, но их разработка замедляется из-за таинственных коротких замыканий и отказов. Теперь исследователи из Стэнфордского университета и Национальной ускорительной лаборатории SLAC говорят, что разгадали загадку.«Просто небольшое вдавливание, сгибание или скручивание батарей может привести к открытию наноскопических трещин в материалах и попаданию лития в твердый электролит, что приведет к короткому замыканию», — объяснил старший автор Уильям Чуэ, доцент кафедры материаловедения и инженерии в Инженерная школа, а также энергетические науки и инженерия в новой Стэнфордской школе устойчивого развития Дёрра.
«Даже пыль или другие примеси, попавшие в производство, могут вызвать достаточное напряжение, чтобы вызвать отказ», — сказал Чуэ, руководивший исследованием вместе с Венди Гу, доцентом кафедры машиностроения.
Проблема выхода из строя твердых электролитов не нова, и многие изучали это явление. Существует множество теорий относительно того, что именно является причиной. Одни говорят, что виноват непреднамеренный поток электронов, другие указывают на химию. Третьи предполагают, что действуют разные силы.
В исследовании, опубликованном сегодня (30 января) в журнале Nature Energy, ведущие авторы Джефф МакКонохи, Синь Сюй и Тен Цуй в строгих, статистически значимых экспериментах объясняют, как наноразмерные дефекты и механическое напряжение приводят к выходу из строя твердых электролитов. Ученые всего мира, пытающиеся разработать новые перезаряжаемые батареи с твердым электролитом, могут решить эту проблему или даже обратить открытие в свою пользу, как сейчас исследует большая часть этой команды из Стэнфорда. Энергоемкие, быстро заряжающиеся, негорючие литий-металлические батареи, которые работают долгое время, могут преодолеть основные барьеры на пути к широкому использованию электромобилей, среди множества других преимуществ.
Статистическая значимость
Многие из современных твердых электролитов являются керамическими. Они обеспечивают быструю транспортировку ионов лития и физически разделяют два электрода, хранящих энергию. Самое главное, они пожаробезопасны. Но, как и керамика в наших домах, на их поверхности могут образовываться крошечные трещины.
С помощью более чем 60 экспериментов исследователи продемонстрировали, что керамика часто пронизана наноскопическими трещинами, вмятинами и трещинами, многие из которых имеют ширину менее 20 нанометров. (Толщина листа бумаги составляет около 100 000 нанометров.) Чуэ и его команда говорят, что во время быстрой зарядки эти врожденные трещины открываются, позволяя литию проникать внутрь.
В каждом эксперименте исследователи прикладывали электрический зонд к твердому электролиту, создавая миниатюрную батарею, и использовали электронный микроскоп для наблюдения за быстрой зарядкой в режиме реального времени. Впоследствии они использовали ионный пучок в качестве скальпеля, чтобы понять, почему литий собирается на поверхности керамики в некоторых местах по желанию, в то время как в других местах он начинает проникать все глубже и глубже, пока литий не образует мостиков через твердый электролит. , создавая короткое замыкание.
Разница в давлении. Когда электрический зонд просто касается поверхности электролита, литий красиво собирается на поверхности электролита, даже если аккумулятор заряжается менее чем за одну минуту. Однако, когда зонд вдавливается в керамический электролит, имитируя механические напряжения вдавливания, изгиба и скручивания, более вероятно, что в аккумуляторе произошло короткое замыкание.
Теория на практике
Реальная твердотельная батарея состоит из слоев катод-электролит-анод, уложенных друг на друга. Роль электролита состоит в том, чтобы физически отделить катод от анода, позволяя ионам лития свободно перемещаться между ними. Если катод и анод соприкасаются или каким-либо образом электрически соединены, например, через туннель из металлического лития, происходит короткое замыкание.
Как показывают Чуэ и его команда, даже незначительный изгиб, легкий поворот или пылинка, попавшая между электролитом и литиевым анодом, вызовет незаметные щели.
«Учитывая возможность проникнуть в электролит, литий в конечном итоге проложит себе путь, соединяя катод и анод», — сказал МакКонохи, который в прошлом году защитил докторскую диссертацию, работая в лаборатории Чуэ, а сейчас работает в промышленности. «Когда это происходит, батарея выходит из строя».
По словам исследователей, новое понимание демонстрировалось неоднократно. Они записали процесс на видео с помощью сканирующих электронных микроскопов — тех самых микроскопов, которые не могли видеть зарождающиеся трещины в чистом непроверенном электролите.
По словам Сюй, это немного похоже на то, как выбоина выглядит на идеальном тротуаре. Во время дождя и снега автомобильные шины забивают водой крошечные, ранее существовавшие дефекты дорожного покрытия, образуя постоянно расширяющиеся трещины, которые со временем растут.
«Литий на самом деле мягкий материал, но, как и в аналогии с водой в выбоине, все, что требуется, — это давление, чтобы увеличить разрыв и вызвать отказ», — сказал Сюй, научный сотрудник лаборатории Чуэ.
Имея в руках свое новое понимание, команда Чуэ ищет способы намеренного использования тех же самых механических сил для упрочнения материала во время производства, подобно тому, как кузнец отжигает лезвие во время производства. Они также ищут способы покрытия поверхности электролитом, чтобы предотвратить трещины или восстановить их, если они появятся.
«Все эти улучшения начинаются с одного вопроса: почему?», — сказал Цуй, научный сотрудник лаборатории Гу. «Мы инженеры. Самое важное, что мы можем сделать, это выяснить, почему что-то происходит. Как только мы это узнаем, мы сможем улучшить ситуацию».
