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科学家发现锂电池产生枝晶的罪魁祸首竟跟电解质中某些物质有关!

本文摘要:据外媒报导,科学家们找到了锂离子电池中针状结构(即树突和枝晶)生长的根本原因,此种结构有时不会造成锂离子电池短路、故障甚至发生爆炸。(图片来源:西北太平洋国家实验室)美国能源部西北太平洋国家实验室(DepartmentofEnergysPacificNorthwestNationalLaboratory,PNNL)的一个研究小组找到,电池电解质(使电池再次发生关键化学反应的液体材料)中某些化合物增进了树突和枝晶的生长。

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据外媒报导,科学家们找到了锂离子电池中针状结构(即树突和枝晶)生长的根本原因,此种结构有时不会造成锂离子电池短路、故障甚至发生爆炸。(图片来源:西北太平洋国家实验室)美国能源部西北太平洋国家实验室(DepartmentofEnergysPacificNorthwestNationalLaboratory,PNNL)的一个研究小组找到,电池电解质(使电池再次发生关键化学反应的液体材料)中某些化合物增进了树突和枝晶的生长。研究小组期望该找到可以增进新方法的研发,最后通过掌控电池成分的组织树突和枝晶的生长。树突是一种微小、柔软的树状结构,不会在锂电池中生长,其针状凸起的部分称作枝晶。

两种东西都会导致极大损害,需要击穿电池内部的隔膜,就像杂草可以击穿水泥阳台或铺好的道路一样。而且,此类物质还不会减少电解质与锂之间的不良反应,加快电池过热。

锂金属电池的能量密度比常用的锂离子电池更高,不过,树突和枝晶的不存在妨碍了锂金属电池的普及。PNNL团队找到,锂金属电池中的枝晶源自“SEI”膜(固态电解质中间互为),即阳极固态锂表面与液态电解质之间的薄膜。此外,科学家们还找到了枝晶生长的罪魁祸首:碳酸乙烯。

碳酸乙烯是一种不可或缺的溶剂,可加到到电解质中以提升电池性能。结果证明,正是碳酸乙烯让电池更容易损毁。研究人员为该研究专门设计了纳米大小的锂金属电池,再行使用视频一步步地展出了电池中枝晶的生长过程。当锂离子开始在阳极挤满或“温度梯度”时,树突就开始构成,一开始是粒子大小,回应了树突的问世。

随着更加多的锂原子挤满在一起,该结构就不会渐渐生长,有如石笋从洞穴底部生长出来一样。研究小组找到,SEI表面的能量动力不会将更加多锂离子推上较慢快速增长的树突柱上。然后,忽然,一根枝晶长出来了。

对于该团队来说,捕猎枝晶生长出来的瞬间并不更容易。为此,科学家们融合用于了原子力显微镜(AFM)和环境感应电子显微镜(ETEM)。

ETEM是一种十分贵重的仪器,可以让科学家们在现实条件下研究电池的工作状态。该团队使用AFM测量了枝晶生长时的微小力量,并且通过将AFM的悬臂顶部向滑动,测量出有枝晶生长的力量,并且测量了枝晶生长过程中树突对其产生的力量。

研究小组找到,碳酸乙烯的含量与树突和枝晶的生长有必要关系。研究小组在电解质中加到的碳酸乙烯就越多,就不会生长越少的枝晶。

科学家们利用电解质混合物做到实验,转变其成分,以增加树突,例如,研究人员加到了的环已酮,就可以制止树突和枝晶的生长。理解电池中枝晶产生和生长的原因,可以为避免枝晶或者掌控枝晶,最后避免电池伤害获取新思路。

研究人员回应,更加了解地理解电池枝晶将有助为锂金属电池在电动汽车、笔记本电脑、手机和其他领域的广泛应用扫除道路。


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