安全的固態(tài)鋰電池預(yù)示著能量儲存的范式轉(zhuǎn)變

生產(chǎn)安全，功能強(qiáng)大且價格合理的固態(tài)鋰電池的競爭正在加速，最近有關(guān)使用固體非易燃陶瓷電解質(zhì)石榴石進(jìn)行改變游戲規(guī)則研究的公告在競爭中稱其具有革命性。

“這是能量儲存的范式轉(zhuǎn)變，”機(jī)械工程助理教授Kelsey Hatzell說。一篇論文 - “孔隙連通性對同步輻射X射線斷層掃描中觀察到的LLZO電解質(zhì)中Li枝晶傳播的影響” - 描述了她對石榴石電解質(zhì)失效點的新研究，于3月在線發(fā)表在美國化學(xué)學(xué)會的能源快報上，這是當(dāng)月閱讀最多的ACS Letters文章之一。

鋰離子電池通常含有可以著火的液體有機(jī)電解質(zhì)。使用不易燃的石榴石基電解質(zhì)消除了火災(zāi)風(fēng)險。用固體有機(jī)物如石榴石代替液體電解質(zhì)還可以通過延長電池壽命來降低成本。

“固態(tài)電池適用于全電動汽車和其他能源儲存和安全至關(guān)重要的應(yīng)用，”Hatzell說。

Hatzell的團(tuán)隊測試了Li 7 La 3 Zr 2 O 12 - 鋰鑭氧化鋯或LLZO - 一種石榴石型材料，由于其高Li離子傳導(dǎo)性及其與Li金屬的兼容性，顯示出對全固態(tài)電池應(yīng)用的巨大希望。

“了解這些電解液系統(tǒng)中的失效機(jī)理對于設(shè)計彈性固體電解質(zhì)系統(tǒng)至關(guān)重要，”Hatzell說。“LLZO的主要限制是在低電流密度下發(fā)生短路事件的傾向。”

Hatzell的研究使用同步加速器X射線斷層掃描技術(shù)跟蹤實際充電和放電事件后LLZO的結(jié)構(gòu)變化。該技術(shù)允許研究人員查看電池內(nèi)部并查看亞微米分辨率的3D結(jié)構(gòu)特征。

“大多數(shù)使用掃描電子或光學(xué)顯微鏡技術(shù)在固體電解質(zhì)中對鋰進(jìn)行成像的技術(shù)是使用掃描電子或光學(xué)顯微技術(shù)進(jìn)行破壞性或非原位進(jìn)行的。使用同步加速器工具在更現(xiàn)實的條件下測試材料使我們能夠探測埋藏的界面，”Hatzell說，他的合著者是沉鳳玉，博士后研究員，研究生向輝蕭和馬克迪克西特。

“世界上只存在少數(shù)同步加速器和中子源.Marm是2017年全國中子和X射線散射學(xué)校入選的60名研究生之一。”作為該項目的一部分，他花了一周的時間在橡樹嶺國家實驗室和阿貢國家實驗室一周，“Hatzell說。

Argonne的高級光子源和ORNL的散裂中子源和高通量同位素反應(yīng)器允許對先進(jìn)材料和相互作用進(jìn)行納米級研究。Dixit能夠從領(lǐng)先的科學(xué)家和專家那里學(xué)習(xí)同步加速器表征技術(shù)。Hatzell的團(tuán)隊在Argonne進(jìn)行了所有測試。

“這些結(jié)果可能為下一代所有固態(tài)電池系統(tǒng)的材料設(shè)計提供信息。結(jié)果表明，空隙或連通孔的存在導(dǎo)致更高的故障率，”Hatzell說。

“盡管仍有大量研究需要將固態(tài)設(shè)備推向市場，但它們在高能量密度電池和電動汽車應(yīng)用中的應(yīng)用承諾正引起全球各界的廣泛興趣。”