锂电池阳极为何短路？科学家或找到原因

Daphane

來源:大纪元


电池示意图。(Shutterstock)

【大纪元2023年02月07日讯】（大纪元记者李宛鸿编译报导）在寻找新一代电池的阳极材料时，锂金属是目前最好的选择。由于其高容量、低密度和非易燃性的特点，锂金属电池可以很大程度上改变电动车及绿色科技革命。
然而其中却有个致命的问题，即锂金属电池往往容易因极小的陶瓷电解质裂缝，也就是锂金属晶枝（dendrites）而造成短路。
材料科学家长期以来一直在寻找其发生的原因，从而设计出能避开此不利情况的电池，这个难题也被称为材料科学界的圣杯。现在，科学家可能终于找到答案了。
1月30日，来自史丹佛大学及SLAC国家加速器实验室的研究人员，提出证据解释了为何锂电池中会形成树枝状锂晶枝。
先前的理论笼统地认为，可能是一些非预期的电子流或是某些不明化学问题导致电池故障。然而经过六十多次的实验后，研究员最新发现，电池在快速充电的压力下，陶瓷固态电解质中会出现极微小的奈米级裂缝。有些裂缝的宽度只有20奈米，而一根头发的宽度大约是8万奈米。
这些裂缝将使电池的阳极和阴极之间形成锂金属“桥梁”，造成短路。该研究结果发表于1月30日的《自然‧能源》期刊。
“电池只要有小小的坑洞、弯曲或扭曲，就可导致材料中出现奈米级裂缝，进而使锂入侵至固态电解质而引起短路。”研究的主要共同作者威廉．阙（William Chueh，音译）表示。“即使是制造过程中掺入的灰尘或其他杂质，也能产生足够的压力导致故障。”
为了了解锂钻入特定区域并造成短路的原因，研究人员结合电探头与电解质，制造出一种微型电池。当电池处于静止状态时，锂阳极会按照设计正常表现。然而一旦有任何坑洞、弯曲或扭曲，以及制造过程中所聚集的一点点灰尘，即会增加故障的可能性。
另一位主要共同作者徐新（Xin Xu，音译）将此过程比作路面坑洞的形成。当轮胎不断将雨雪挤压至路面上的小缝隙之中，就会导致路面结构崩坏日益严重。尽管是相对来说极小的规模，此情况同样发生在锂金属电池中。
幸运的是，这并不代表锂金属未来没有发展机会，事实上，这次的发现是个好消息。
工程师们可将本次研究的发现纳入锂金属电池的设计考量，以避免上述问题的产生。该论文作者也提到，他们目前正在研究如何能于制造过程中加强电解质，以及发展不同的涂层方法来覆盖陶瓷屏障（ceramic barrier），使其在破损产生时能自行维修。
2019年，史丹佛SLAC国家加速器实验室曾研发一种方法，使锂金属电池在循环使用160次后，还能保有85%的电容量。与先前只剩30%相比，这是相当显着的进步。
“这些进步都开始于一个问题：为什么？”本篇论文的共同作者崔腾（Teng Cui，音译）表示。“一旦我们知道答案，我们就能向前迈进。”
现在，研究人员已经明确地知道了针对锂电池短路问题的答案。锂金属的未来不再是会不会到来的问题，而只是何时会到来的问题。