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科學家發現鋰電池產生枝晶的罪魁禍首 竟跟電解質中某些物質有關!

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時間:1900/1/1 0:00:00

據國外媒體報道,科學家發現了鋰離子電池中針狀結構(樹枝狀晶體和枝晶)生長的根本原因,這種結構有時會導致鋰離子電池短路、故障,甚至起火。

Discovery

(圖片來源:西北太平洋國家實驗室)美國能源部下屬的西北太平洋國家實驗室(PNNL)的一個研究小組發現,電池電解液(在電池中引起臨界化學反應的液體材料)中的某些化合物會促進樹突和枝晶的生長。研究小組希望這一發現能夠促進新方法的發展,最終通過控制電池組件組織中的樹突和枝晶的生長。樹突是生長在鋰電池中的微小、堅硬的樹枝狀結構。它們針狀突起的部分稱為樹突。這兩種物質都會造成嚴重的損害,并穿透電池內部的隔膜,就像雜草可以穿透混凝土平臺或鋪設的道路一樣。而且,這類物質還會增加電解液和鋰之間的不良反應,加速電池失效。鋰金屬電池比常用的鋰離子電池具有更高的能量密度,但枝晶和枝晶的存在阻礙了鋰金屬電池的普及。PNNL團隊發現,鋰金屬電池中的枝晶源于一層“SEI”膜(固體電解質中間相),這是陽極固體鋰表面和液體電解質之間的一層薄膜。此外,科學家還發現了樹枝狀生長的元兇:碳酸乙烯酯。碳酸乙烯酯是一種不可或缺的溶劑,可以添加到電解液中以提高電池性能。原來是碳酸乙烯酯使電池容易損壞。研究人員為這項研究設計了一種納米尺寸的鋰金屬電池,然后用視頻一步步演示電池中樹突的生長過程。“當鋰離子開始在陽極聚集或“成核”時,枝晶開始形成,從顆粒大小開始,表明枝晶的誕生。”。隨著越來越多的鋰原子聚集在一起,結構慢慢變大,就像從洞穴底部長出的石筍。研究小組發現,SEI表面的能量動力學會將更多的鋰離子推到緩慢生長的樹枝狀柱上。然后,突然,一個樹突長了出來。捕捉樹突生長的瞬間對團隊來說并不容易。為此,科學家們使用了原子力顯微鏡(AFM)和環境投影電子顯微鏡(ETEM)的組合。ETEM是一種非常有價值的儀器,可以讓科學家在真實條件下研究電池的工作狀態。該團隊利用AFM測量樹枝狀生長過程中的微小力,通過向下按壓AFM的懸臂頂端,測量樹枝狀生長的力,測量樹枝狀生長過程中樹突施加的力。研究小組發現碳酸乙烯酯的含量與枝晶和枝晶的生長直接相關。研究小組在電解液中添加的碳酸乙烯酯越多,枝晶就越多。科學家使用電解質混合物進行實驗,改變其成分以減少枝晶。例如,研究人員添加環己酮來防止樹枝狀晶體和樹枝狀晶體的生長。了解電池中樹枝狀晶體形成和生長的原因可以為消除或控制樹枝狀晶體提供新思路,并最終防止電池損壞。研究人員表示,對電池枝晶的更深入了解將有助于為鋰金屬電池在電動汽車、筆記本電腦、手機和其他領域的廣泛應用掃清道路。

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