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反对树突的战争,锂离子电池的瘟疫,工资

2020年11月30日经过卢克·詹姆斯

树突很早就困扰着锂离子电池的问题不仅缩短了其寿命,而且在某些情况下可能会完全危险。这是最近的研究工作为与这些微观对手作斗争的贡献。

树突是微小的,尖的,刚性的树状结构,具有类似针的凸起的“晶须”,可以在锂基电池内生长。这种类似树状的结构及其晶须都会在电池内外引起严重的问题。

最值得注意的是,它们可以穿过锂离子(锂离子)电池电池内的聚烯烃分离膜刺穿和突出 - 就像杂草一样,似乎总是找到一种方法,即使是最精心畅通的道路,也可以导致电池故障。在最佳情况下,这将是故障,例如短路;在最坏的情况下,电池可能会燃烧,尤其是在高密度电池中。

锂离子电池中树突生长的描述

锂离子电池中树突生长的描述。图像圣路易斯华盛顿大学

那么,不足为奇的是,研究大量投资用于解决此问题,该问题阻碍了广泛使用高能量密度电池(例如电动汽车)。

这是最近的三个研究示例。

非孔分离器

本月初,Toray Industries宣布一种与树突形成作斗争的方法,该方法利用了高耐热性芳香聚合物设计技术。Aramid是一种超级工程塑料,具有高耐热性和在航空航天和军事应用中使用的强合成纤维。它仅在聚酰亚胺的耐热性方面位于薄膜电路材料中。

Toray使用ARAMID创建具有高耐热性的高离子电导性聚合物。这使该公司能够抑制锂金属阳极电池中的树突形成,同时通过使用聚合物作为由微孔分离器上的无孔层组成的非孔分离器来保留离子电导率。

不受干扰的锂离子电池分离器

不受干扰的锂离子电池分离器。图像Toray Industries

在概念证明中,Toray能够证明使用该分离器的电池能够抑制树突局部可替代的短路,并在100次充电/放电周期后保持其容量的80%以上。

日本纺织公司计划加速研发,以建立使用锂金属电池来推动未来高密度锂电池安全进展的技术。

固体电解质媒介层

这并不是关于锂离子电池。尽管锂金属(Li-Metal)电池具有更高的理论能力,但Li-Metal的极端反应性意味着我们尚未根据它实现稳定的长寿电池。

为了防止树突的生长,最尚未理解的因素之一是固体电解质媒介(SEI)层的形成。电子之间电子在锂金属电池中的电解质之间的恒定传递会导致电解质层升级,从而导致在电极上形成SEI层。为了使SEI膜有效,它们需要充当阻止电子传输的障碍,同时允许锂离子平滑地通过并沉积在金属表面上。

围绕电池阳极纳米颗粒的稳定的SEI层

围绕电池阳极纳米颗粒的稳定SEI层的微观视图模拟。图像由迭戈·加尔维斯·阿兰达(Diego Galvez-Aranda)提供德克萨斯农工大学

现在,在德克萨斯A&M大学进行的最新作品可能会导致保护层,用于更安全,长寿命锂电池。特别是,研究小组能够解释锂离子电池中阳极表面的SEI层的生长。

该团队还通过检查来自电池电解质材料的SEI层的成核和生长机制来促进调整保护层的想法。

液晶

卡内基·梅隆大学的研究人员使用了一种全新的材料,用于抑制树突生长 - 液晶晶体

液晶具有与常规液体和固体不同的特性,由于液晶分子的趋势在有序排列中排队而产生了树突抑制。

尽管卡内基·梅隆(Carnegie Mellon)的研究人员使用固体电解质实现了较高的树突抑​​制,但这些锂离子电导率较慢,并且不能轻易地集成到当前的电池中。相反,液体具有更快的电导率,但不能抑制树突。液晶在中间很好地坐在中间,因为它们具有一些定向顺序(但没有像固体这样的位置顺序),并且很容易集成到现有的锂离子电池中。它们也更安全,并提供自发的树突抑制。

在他们的发现中,研究人员提出了各种设计标准,用于选择液晶作为电池电解质,这些电池可以“铺平道路”,以“实现”新的电解质,用于“功能良好”的锂金属电池。

研究人员的下一步是使液晶更稳定,以便更好地满足电池设计标准。


多年来,解决树突增长的斗争一直是一场持续的。您知道其他哪些方法可以减轻树突并为锂离子电池铺平道路?在下面的评论中分享您的想法。

2条评论
  • JKJ36066 2020年11月30日

    首先,我是德州电池研究的忠实拥护者。关于树突和主持人故障,我建议在SEI层的顶部垂直包装。

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  • Q12X 2020年12月26日

    非常有教育性的阅读。

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