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研究人员探讨如何避免电池锂枝晶穿透现象

2020-09-24 来源:盖世汽车 

盖世汽车讯 随着消费者需求的增长,工程师们需要在保持甚至提高电池容量的同时,设计出更加紧凑的电池。从理论上看,在不把充电电流密度提高到临界点(即极限电流密度)的情况下,电池容量似乎还有很大的增长空间。超过临界点,电池才会短路。然而,在当前的电池工作密度(即在限定的时间内通过特定区域的电荷量)下,虽然该数值远低于临界点,电池已经失效。

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(图片来源:WUSTL)

据外媒报道,华盛顿大学麦凯维工程学院(McKelvey School of Engineering)助理教授Peng Bai的实验室研究表明,不仅可以使电池在电流密度接近临界点时才发生短路,而且能够精确预测任一特定电流密度下的短路时间。

导致锂电池失效的原因有很多,其中一个问题由来已久,即高电流密度下出现的枝晶穿透现象。锂枝晶是一种树形结构,形成于电池的锂镀层上。它们可以迅速穿过电池的陶瓷隔膜,即电池正极和负极之间的多孔塑料膜。一旦枝晶穿过隔膜,电池就会短路。枝晶生长取决于电流密度,当电流密度高于预期或设计的3个数量级时,电池中会出现枝晶。在之前的研究中,研究人员打开电池,会看到隔膜上的黑点,那就是枝晶穿透隔膜的位置。

主要研究人员Youngju Lee进行同样的研究,分析黑点覆盖的区域。结果发现,它们占隔膜总面积的0.1%,这意味着对应的电流要比预期值高1000倍。在没有达到临界电流密度的情况下,电池怎么会短路,这是一个谜题。Bai说:“在设计电池时,我们使用电极或隔膜的整个面积来计算电流密度。”但是,高电流密度是局部发生的。

研究人员利用一种独特的、透明的微管电芯,来观察锂金属生长动态,通过隔膜孔,重建实际的金属刺穿动态过程。Bai说:“我们发现它比我们想象的更复杂,它对通道的几何形状非常敏感。”他们发现,从本质上看,具有收敛截面面积的单一电解液通道,以及有效实用的隔膜(在金属生长方向上可能导致穿透孔越来越少),将加速并加剧这种动态,导致电池更快短路。Lee说:“如果你拥有扩张的通道,你可以延迟甚至避免枝晶形成。这就是我们的发现。”

研究人员不仅描述了这种关系,而且用一个数字来表达。Lee表示:“物理量、电流密度和短路时间非常重要,这个数字定义了它们之间的关系。”如果这个数字(Sand公式中的指数)小于负2,那么你就会拥有更安全的锂离子电池。如果高于负2,比如-1.5,那就不好了。Bai说:“你的电池会很快短路,早于标准模型预测的时间。”

Bai 指出,“人们很容易将电池失效归咎于枝晶穿透,但更重要的是,要彻底理解实际情况下的动态。然而,我们从未做过的是,能够一致地预测所有电流密度下的所有短路时间。

“我们找到了一种方法,不仅更加精确,而且可以进行预测,因为我们知道这个系统的真实物理状态。因此,我们可以依靠这个单一的数字,即Sand的时间指数,来评估隔膜的安全水平,并指导优化,使其小于-2,这样我们就可以避免枝晶全部穿透。”