牛津大学揭秘全固态电池故障原因 或实现量产

据外媒报道,全固态电池是一种所有部件都是固体的电池,由于其能够存储更多能量,而且具备操作更安全的潜力,已成为替代锂离子电池的下一代电池,受到了人们的关注。假如固态电池能够实现量产,将能够给电动汽车(EV)行业带来革命性的变化,因为其可有效新增电动汽车的续航里程,以及可以显著降低电动汽车体积和重量。但是,固态电池在实际电流下循环(反复充放电)后会发生故障,这也是阻碍其实现大规模商业化的障碍之一。

不过,英国牛津大学(theUniversityofOxford)法拉第研究所(FaradayInstitution)的研究人员采取了措施,了解了固态电池出现故障的机制(是避免其出现此类故障的必要前提)。电池在充电时,锂离子还原时形成的树枝状金属锂就是枝晶,会穿过固态、陶瓷和电解质继续蔓延,从而导致电池短路。

很久之前,研究人员就知道固态电池的阳极会产生孔隙,但是人们还没有理解此类孔隙在枝晶形成过程中的作用。该研究将前沿电化学和成像技术相结合,基本能够理解孔隙在电池循环中形成,以及孔隙在电池枝晶生长以及电池故障中的作用。

研究固态电池的科学家面对两个挑战:1、当电池在充电和不充电状态之间循环时,要防止枝晶生长。2、固体电解质和锂阳极(带负电荷的电极)在放电过程中会形成孔隙,导致电池两部分之间的接触面积减少。

使用两个普通电极的电池很难区分锂电镀和锂剥离的过程,因此该研究的研究人员采用了三极电池,分别研究了在锂金属/陶瓷界面处锂电镀和锂剥离过程对电池循环的影响,而且选用Li6PS5Cl作为固体电解质,此类硫化物的电导率比氧化物高,一些试图实现固态电池商业化的公司都将其作为电解质。与其他高导电性的硫化物相比,该硫化物不那么易碎。

研究人员发现,假如要避免在固态电池内形成枝晶,就要在锂离子剥离(CCS)过程中,控制在关键电流密度之下(即开始形成孔隙的临界电流密度)进行电池循环。即使电流密度低于锂电镀过程中枝晶形成时的阈值,也是如此。当电流密度大于CCS时的电流密度,电池循环中会累积孔隙,固体电解质的接触面积相应减小,导致局部电流密度增大,直至形成枝晶,导致电池短路和故障。

虽然小型、不可二次充电的商用固态电池越来越多,例如用于心脏检测等医疗植入物等。但是,电动汽车要量产的固态电池,以确保其能够在电动汽车使用寿命内安全运行,且达到可接受的性能水平,现在量产固态电池仍存在相当大的挑战。

目前电动汽车中采用的锂离子电池包含易燃有机液体电解质,在电池充放电过程中,携带电荷的锂离子会穿过电解质,此类液体存在安全隐患,将固态电解质取代液态电解质就可以消除火灾风险。

全世界的科学家都在努力研发新型电池化学物质,以让电池达到一定的性能(功率密度和能量密度),从而让电动汽车的驾驶体验与内燃机汽车的体验相当。研发具有锂金属阳极的先决条件就是消除液体电解质,从而显著提升电池性能。