研究人员找到抑制锂电池枝晶生长的方法 提高其效率、安全性与寿命

研究人员找到抑制锂电池枝晶生长的方法提高其效率、安全性与寿命枝晶是锂离子电池在快速充电过程中可能出现的一种现象。当锂离子积聚在电池负极表面而不是夹杂在负极中时，就会形成一层金属锂，并持续增长成树枝形状，最终刺破隔膜，这会损坏电池，缩短其使用寿命，并导致短路，从而引发火灾和爆炸。XuekunLu博士解释说，通过优化石墨负极的微观结构，可以显著减少锂镀层。石墨负极由随机分布的微小颗粒组成，微调颗粒和电极形态以获得均匀的反应活性并降低局部锂饱和度是抑制锂电镀和提高电池性能的关键。石墨负极充电过程中的锂浓度分布用颜色表示。图片来源：XuekunLuetal/NatureCommunications"我们的研究发现，在不同条件下，石墨颗粒的锂化机制各不相同，这取决于它们的表面形态、大小、形状和取向。这在很大程度上影响了锂的分布和枝晶的倾向，"Lu博士说。"在开创性的三维电池模型的帮助下，我们可以捕捉到锂镀层何时何地开始形成，以及锂镀层的生长速度。这是一项重大突破，可能会对未来的电动汽车产生重大影响。"这项研究加深了人们对快速充电过程中锂在石墨颗粒内重新分布的物理过程的理解，为开发先进的快速充电协议提供了新的见解。这些知识可帮助实现高效的充电过程，同时最大限度地降低锂镀层的风险。除了加快充电时间外，研究还发现，改进石墨电极的微观结构可以提高电池的能量密度。这意味着电动汽车一次充电可以行驶更远的距离。这些发现是电动汽车电池开发领域的重大突破。它们可以使电动汽车充电更快、寿命更长、更安全，从而成为对消费者更具吸引力的选择。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1379241.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1379241.htm

牛津大学的研究可能为电动汽车和航空业带来"改变游戏规则"的电池

牛津大学的研究可能为电动汽车和航空业带来"改变游戏规则"的电池牛津大学研究人员领导的一项新研究于6月7日发表在《自然》杂志上，这要归功于显着改进的电动汽车(EV)电池可能更近一步。使用先进的成像技术揭示了导致锂金属固态电池(Li-SSB)失效的机制。如果可以克服这些问题，使用锂金属阳极的固态电池可以在电动汽车电池续航里程、安全性和性能方面实现阶跃式改进，并有助于推动电动航空的发展。该研究的共同主要作者之一、牛津大学材料系博士生DominicMelvin表示：“用锂金属阳极开发固态电池是电池技术进步面临的最重要挑战之一。虽然今天的锂离子电池将继续改进，但对固态电池的研究有可能获得高回报和改变游戏规则的技术。”Li-SSB与其他电池不同，因为它们用固体电解质代替了传统电池中易燃的液体电解质，并使用锂金属作为阳极（负极）。固体电解质的使用提高了安全性，而锂金属的使用意味着可以储存更多的能量。然而，Li-SSB面临的一个关键挑战是，由于“枝晶”的生长，它们在充电时容易发生短路：锂金属细丝会穿透陶瓷电解质。作为法拉第研究所SOLBAT项目的一部分，牛津大学材料、化学和工程科学系的研究人员领导了一系列深入调查，以更多地了解这种短路是如何发生的。X射线计算机断层扫描图像显示充电过程中固态电池内锂枝晶裂纹的逐渐生长。图片来源：DominicMelvin，《自然》，2023年。在这项最新研究中，该小组在DiamondLightSource使用了一种称为X射线计算机断层扫描的先进成像技术，以前所未有的细节可视化充电过程中的枝晶引发的失效。新的成像研究表明，枝晶裂纹的萌生和传播是独立的过程，由不同的潜在机制驱动。当锂在次表层孔隙中积累时，枝晶裂纹就开始了。当孔变满时，电池的进一步充电会增加压力，导致破裂。相比之下，传播发生在锂仅部分填充裂缝的情况下，通过楔形开口机制驱动裂缝从后面打开。这种新的理解为克服Li-SSB的技术挑战指明了方向。DominicMelvin说：“例如，虽然锂阳极的压力可以很好地避免放电时在与固体电解质的界面处形成间隙，但我们的结果表明，压力过大可能是有害的，使枝晶生长和短路更有可能充电。”WolfsonChair、牛津大学材料学教授、法拉第研究所首席科学家、该研究的通讯作者彼得·布鲁斯爵士说：“锂等软金属穿透高密度硬陶瓷的过程事实证明，电解质具有挑战性，世界各地的优秀科学家做出了许多重要贡献。我们希望我们获得的额外见解将有助于固态电池研究朝着实用设备的方向发展。”根据法拉第研究所最近的一份报告，到2040年，SSB可以满足全球消费电子产品电池需求的50%、交通运输领域的30%和飞机的10%以上的需求。法拉第研究所首席执行官PamThomas教授说：“SOLBAT研究人员继续发展对固态电池失效的机理理解——这是在汽车应用中实现具有商业相关性能的高功率电池之前需要克服的一个障碍。该项目正在告知电池制造商可能用来避免该技术电池故障的策略。这项以应用为灵感的研究是法拉第研究所旨在推动的科学进步类型的一个典型例子。”...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1365985.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1365985.htm

Science：固态电池未决 研究材料力学

Science：固态电池未决研究材料力学为什么要研究力学结构？要怎么了解不同材料下固态电池的力学结构？因为力学结构导致固态电池失效，又有什么对应的解决办法？来自美国橡树岭国家实验室和密歇根理工大学的五位作者，详细解答了这些问题。固态电池中力学的关键作用既然需要关注固态电池的力学结构，那么如何评估和设计呢？论文提供了一个理解和设计力学结构可靠的固态电池的框架。该框架包括三个方面：1、识别和理解该固态电池中局部应变的来源；2、了解这种应力，特别是在电池界面处，以及电池材料对这些应力的响应；3、设计具有所需应力和应变演变的电池材料和电池单元。其中，应力是材料受到的外力大小，应变是指材料在受到外力时的形变程度。以固态电解质为例，众所周知，固态锂电池比液态锂电池更安全的关键因素是，固态电池中的固态电解质可以有效抑制锂枝晶的生长。锂枝晶而不同的固态电解质材料对锂枝晶抑制效果也存在不同，评估抑制效果好坏的一个标准就是该材料的应力和应变。如果这种固态电解质即使受到很大的应力，也不易发生弹性形变，比如氧化物电解质，这意味着这种固态电解质材料能有效抑制锂枝晶生长；但同时，氧化物电解质的硬度和刚度很高，更有可能发生断裂等情况，影响固态电池的性能。应力-应变的关系曲线，来源参考论文2所以，在选择固态电解质时选择各项性能更平衡的材料，更有利于提高固态电池的性能和使用寿命。这也是为什么需要研究固态锂电池的力学结构。固态锂电池的充放电过程伴随着阴阳极体积的变化，比如阴极中的晶格拉伸和扭曲以及阳极中的金属锂沉积。固态锂电池中对应的力学和传递现象而液态锂电池得益于液态电解质，阴阳极体积变化不会影响电池内部的受力结构，但因为固态锂电池中固态含量较高，阴阳极体积的改变可能会影响固态锂电池的稳定性。假如阳极某一处锂沉积过多，会导致该处的应力增大。假如应力超过了固态电解质承受的极限，材料形变过大（也就是应变程度），会有材料断裂、粉化等风险。所以，材料的力学性质的变化会影响材料的电化学性质，进而导致电池性能恶化甚至失效。除了固态电解质，电极的组成成分（活性物质、粘结剂、导电剂等），所使用的材料也会影响到电池的力学结构，这篇论文提供的框架可以用来研究这些材料的力学特性。作者希望通过这篇论文能更方便研究人员理解固态电池发生故障的潜在原因，同时论文也给出了这些问题的解决方案。包括：根据长度尺度、温度和应变速率（电流密度）来研究锂金属的应力缓解机制；根据长度尺度、温度和应变速率来研究陶瓷、玻璃和非晶陶瓷的应力缓解机制；讨论陶瓷、玻璃电解质的工程延展性；设计一种锂金属阳极，既能消除锂金属的不均匀沉积和剥离，也能缓解锂-电解质界面的应力；设计一种阴极活性材料，具有零循环应变、抗断裂的特点，或者具有一定的延展性；设计一种复合阴极，实现应变最小化、应力释放最大化；进行详细建模，以描述固态电池中应力和应变的演变，包括长度尺度效应（length-scaleeffects）、摩擦（friction）、粘附（adhesion）和蠕变（creep）。那么，又是谁完成了这篇论文？论文作者简介论文一作为SergiyKalnaus，来自美国橡树岭国家实验室，是计算科学与工程部的高级研究员。SergiyKalnaus拥有内华达大学机械工程博士学位，曾获得美国能源部颁发的科学技术杰出贡献奖。另外还拥有四项专利，其中三项关于电解质，一项关于电极浆料，发表过34篇论文，被引次数为3195次。论文作者还包括NancyJ.Dudney，同样来自橡树岭国家实验室，是化学科学部院士及小组组长。NancyJ.Dudney本科就读于威廉玛丽学院化学专业，毕业后直接升入麻省理工学院陶瓷工程学院，并完成博士学位。曾获得美国能源部颁发的杰出发明家称号，获得大大小小超13个奖项，拥有超过14项专利，目前正在研究混合动力汽车电池的新型材料。论文作者还有同样来自化学科学部的AndrewS.Westover，是该部门的材料科学家。AndrewS.Westover已经在《ACS能源快报》、《材料化学》等多个期刊上发表超25篇论文，其中还包括电化学三大顶刊之一电化学学会杂志JES，被引次数达到3292次。目标是实现下一代能源存储，包括固态锂电池。论文的作者还有ErikHerbert，来自橡树岭国家实验室材料科学与技术部。ErikHerbert同时还是密歇根理工大学，材料科学与工程专业的兼职教授，在田纳西大学取得材料科学与工程的博士学位。一共发表14篇论文，被引次数达到4288次。论文的最后一位作者是SteveHackney，是密歇根理工大学的材料科学与工程专业的全职教授。SteveHackney本科就读于詹姆斯麦迪逊大学化学专业，硕士和博士均就读于弗吉尼亚大学材料科学专业，研究方向包括锂离子电池、陶瓷电池材料、电池薄膜和纳米结构等。本文从固态电池领域的领先研究出发，系统地提出了固态电池的力学结构框架，重点关注应力的产生、预防和缓解机制，提出了多个解决方案。当下大多数固态电池研究都致力于改善电解质的离子传输速率和电化学稳定性，这篇论文则弥补了这一差距，也有利于开发能量密度更高、性能更优、更安全稳定的固态电池。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1386851.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1386851.htm

快速充电的锂金属电池技术迎来进展 从根源上消除枝晶

快速充电的锂金属电池技术迎来进展从根源上消除枝晶运用这种技术的诀窍是使用一种锂不"喜欢"的晶体生长表面。从这些种子晶体中生长出密集的均匀金属锂层。电池研究人员对均匀的金属锂层非常感兴趣，因为它们不包含被称为枝晶的物质，电池阳极中这些物质的形成是快速充电的超能量密度锂金属电池的一个长期障碍。由加州大学圣地亚哥分校工程师领导的这种新方法使锂金属电池在大约一小时内完成充电，这一速度与当今的锂离子电池相比具有竞争力。加州大学圣地亚哥分校的工程师与加州大学欧文分校的成像研究人员合作，今天（2023年2月9日）在《自然-能源》杂志上发表了这项旨在开发快速充电的锂金属电池的进展。在这张SEM图像中，大而均匀的金属锂晶体生长在一个表面上，这令人惊讶，因为它并不"喜欢"锂。加州大学圣地亚哥分校的电池研究人员发现，金属锂晶体可以被启动（成核），并快速而均匀地生长为密集的金属锂层，而这些金属锂层缺乏性能退化的枝晶。在2023年2月9日发表的《自然-能源》论文中，加州大学圣地亚哥分校的电池研究人员表明，这种锂晶体种子的意外形成导致即使在高充电率下也能形成致密的锂层，从而产生长周期寿命的锂金属电池，而且还可以快速充电。这一发现克服了可充电锂金属电池的一个普遍现象，即高速充电总是容易导致锂电池被枝晶穿透导致寿命缩短。通过用这种由氟化锂和铁制成的疏水性表面取代锂金属电池负极（阳极）上无处不在的铜表面，研究人员为创造更可靠、更安全、更高性能的锂金属电池开辟了一条新途径。为了生长锂金属晶体，研究人员用氟化锂（LiF）和铁（Fe）组成的疏锂纳米复合材料表面取代了锂金属电池负极（阳极）上无处不在的铜表面。使用这种疏水性表面进行锂沉积，形成了锂晶体种子，并从这些种子中生长出密集的锂层--即使是在高充电率下，带来的结果是可以快速充电的长循环寿命的锂金属电池。金属锂单晶的低温TEM图像，它被播种在一个令人惊讶的、由氟化锂和铁组成的硫代纳米复合材料表面，该锂晶体具有六角形双锥体的形状。由加州大学圣地亚哥分校纳米工程师领导的新进展可以消除阻碍能量密集型锂金属电池在电动汽车（EVs）和便携式电子产品等应用中广泛使用的一个重要障碍。虽然锂金属电池因其高充电密度而在电动汽车和便携式电子产品中具有巨大的潜力，但今天的锂金属电池必须以极慢的速度充电，以保持电池的性能和避免安全问题。慢速充电是必要的，这可以尽量减少破坏电池性能的锂枝晶的形成，因为锂离子与电子结合，在电池的阳极侧形成锂晶体，锂晶体在电池充电时堆积，而锂晶体在电池放电时溶解。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1343511.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1343511.htm

通过简单的调整 研究人员创造出更安全、更高效的固态电池

通过简单的调整研究人员创造出更安全、更高效的固态电池固态电池有很大的前景。与目前的锂离子电池不同，固态电池不包含易燃液体，而易燃液体是一个主要的缺点，笔记本电脑和电动汽车爆燃的一系列悲剧说明了这一点。固态电池的毒性也较小，具有更高的能量密度，充电速度更快，并且可以在更多的充电循环中存活而不变质。问题是，与液体电池相比，制造这种电池既困难又昂贵，其中一个主要挑战是作为电池关键的电解质薄膜的缺陷。薄膜中形成的微小气泡阻碍了离子在电极之间的移动，减缓了充电和一般操作。一种电解质薄膜是由反过氧化物（Li2OHCl）制成的，其中材料的颗粒被压制成片状。这些经常产生不良的缺陷，降低了效率。为了克服这个问题，橡树岭团队增加了加热压片的步骤，然后让电解质在压力下冷却。结果是一种没有气泡、表面氮富集度更高的薄膜，其导电性能也提高了近1000倍，临界电流密度提高了近50%，并且亲锂性更好，这是固态电池稳定性的一个关键因素。据研究人员称，新的调整不仅提高了性能，而且还为能够在工业规模上加工固体电解质打开了大门，因为工程师将对加工过程有更多的控制。首席研究员MarmDixit说："这是同样的材料--你只是改变了你的制造方式，同时在许多方面改善了电池的性能。"这项研究发表在《ACS能源通讯》上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1364983.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1364983.htm

固态电池，小心被“玩”坏

固态电池，小心被“玩”坏来源/镜观台拍摄海外市场方面，丰田计划2027年实现全固态电池装车；韩国SKOn正在开发高分子氧化物复合和硫化物两种固态电池，目标是到2026年生产出原型产品，2028年实现商业化；三星SDI正在开发一种没有负极的固态电池，预计将于2027年量产。固态电池的消息满天飞，动力电池的霸主宁德时代也不得不出来发声。宁德时代首席科学家吴凯表示，全固态电池的成熟度指标，若用1-9数字表示，宁德时代目前的成熟度在4的水平，目标到2027年到7-8的水平。简言之，宁德时代的固态电池离量产还尚早。在全固态电池研发方面已有十多年的积累，且有近千人研发团队的宁德时代尚且如此，近一两年量产，甚至宣称已经搭载上车的固态电池，其成色问题就值得商榷了。固态电池虽好，经不起“恶搞”新能源汽车行业发展离不开动力电池，目前的动力电池无论是三元锂电池还是磷酸铁锂，虽然在整车安全、续航里程等方面还在进步，但一定程度上在技术上已经很难有大的突破了。随着锂离子电池成本优化接近极限，新能源汽车产业正迫切寻求技术革新以突破现有瓶颈。固态电池作为下一代电池技术的明星产品，凭借其在安全、能量密度及循环寿命方面的显著优势，被视为推动电动汽车发展的新引擎。所谓固态电池，顾名思义，是和液态电池相对应的，是一种使用固态电极和固态电解质的电池。目前市面上主要的锂离子电池内置是含有液态电解质的。传统液态电池由正极、负极、电解液、隔膜四大部分组成。固态电池用固态电解质替换传统液态电解液和隔膜。固态电池的核心特征就在于使用固态电解质，这也是实现固态电池高能量密度、高循环稳定性、高安全性的关键。其工作机理与传统锂电池一致，依靠锂离子在正极和负极之间往返移动，进行化学能和电能之间的转换与储存。根据液态电解质的含量逐步下降，固态电池发展路径可分为：半固态电池、准固态电池和全固态电池。这也就给了一些车企在宣传上提供了“便利”，第一家、第一款、第一代的修饰语层出不穷。腾势汽车总经理兼首席共创官赵长江也忍不住在微博吐槽“就是在玩文字游戏”。中科院院士、清华大学教授欧阳明高也认为，中国在全固态电池领域的研发，目前来看认识还不统一。显然，过度炒作对固态电池的发展极为不利。事实上，作为全固态电池的过渡方案，半固态电池在性能上已大幅提升，安全性较好、能量密度较高、循环寿命更长、工作温度范围更宽、耐挤压、耐震动等。但从制造工艺来说，半固态电池基本可沿用现有液态电池的制造工艺，生产难度远远小于全固态。液态变固态，换“汤”也换“药”但液态电池要直接升级为固态电池，就需要“改头换面”了。如果把动力电池比作汤药，那电解质可以说是“汤”，正负电极和隔膜可说成是“药”。从液态电池到固态电池，不光是把“汤”换了，液态电解质变成固态，“药”也逐步换了。基于目前固态电池的发展历程，还可以将固态电池的发展分为三个阶段：第一阶段：将传统的电解液换成固态电解质，正负极和传统用的是一样，均采用负极石墨和正极三元锂或磷酸铁锂；第二阶段：更换负极材料，取消掉负极的石墨或硅，使用金属锂来提升能量密度；正极不变，采用磷酸铁锂或者三元材料。第三阶段：正负极都换，负极用金属锂，正极就可以换成不含锂的高能量的材料。如此来看，第一阶段换的就是“汤”，第二三阶段就是把“药”也换掉了。换“汤”比较好理解，固体电解质相对于电解液，电化学范围更广（电压更广），电解质不参与化学反应，让锂离子通过。因此，可以选择容量更大的正极材料，或者选择电压差更大的正负极材料，从而提高能量密度。那为什么要把作为“药”的正负极也更新换代呢？按照目前提高电池能量密度的手段，在正极端不断地提高镍的含量虽然可以提升电池能量密度，但是高镍电池对电池的稳定性要求具备更高的电池管理基础。因此，三元锂短期内要突破一个量级还是有一定的挑战。未来，可能也只有固态电池会将电池能量密度提升一个量级。太蓝新能源就在近日宣布成功制备出世界首块车规级单体容量120Ah，实测能量密度达到720Wh/kg的超高能量密度体型化全固态锂金属电池。作为对比，目前磷酸铁锂电池的能量密度为160-180wh/kg左右，三元锂在150-250Wh/kg之间。另外，固态电池凭借自身较高的机械强度在运用的过程中可以抑制电池循环使用之中的锂枝晶的刺穿，使锂金属负极的应用不再是梦想。把电极换为金属锂，其比容高，电压大，避免了液态电池用金属锂作负极会因多次充放电粉化、枝晶生长，导致循环性差，甚至枝晶刺穿薄膜，引起短路的风险。固态想上位，至少还需20年？这些显然就是固态电池大受欢迎的原因所在。高安全性一定是固态电池的首要优势。根据有关数据，新能源汽车起火事故原因中，电池自燃占比31％。相较之下，固态电解质不可燃、耐高温、无腐蚀、不挥发、不漏液，同时具有一定机械强度，安全性更好；半固态电解质中液体占比也小于10%，可燃性大大降低。五一假期发生的多起新能源车燃烧事件，更让消费者期待固态电池的到来。同时，固态电池拥有更高能量密度和较小体积。固态电池电化学窗口宽，能承受更高电压（5V以上），材料选择范围广。因此，可通过采用高比容量的正极、负极材料，使能量密度达到500Wh/kg甚至更高，远超液态350Wh/kg理论极限。而固态电解质取代隔膜和电解液，正负极之间的距离可以缩短到只有几到十几个微米，从而大幅降低电池厚度。因此，同样电量情况下，固态电池体积更小。另外，固态电池还具备宽温区运行的优势。电动车在冬季续航里程之所以下滑明显，主要在于液态电解质在冬季低温环境下流动性下降。而固态电解质可以在-30℃至100℃的更广泛温度范围内稳定工作。当然，固态电池也并非完美无缺，目前来看还是有很多缺点存在的。比如：与液态电解质相比，固态电解质与电极材料之间的接触面积较小，导致离子传输速度较慢，影响了电池的充电和放电效率；界面电阻太大，使得快充过程中的能量损耗增加，快充效率受限；固态电池的充放电循环次数有限，循环寿命较短；生产技术尚不成熟，工艺复杂，生产效率低，导致其成本远高于液态电池。这些显然都是固态电池全面商业化必须面对的挑战。欧阳明高就表示，全固态电池是公认的下一代电池的首选方案之一，也是下一代电池技术竞争的关键制高点，但是也要注意防范激进技术路线带来的颠覆性风险。“液态电池的应用周期至少还有20年。固态电池要想替代液态锂离子电池50%的市场份额，至少需要20至30年。”欧阳明高如是说。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1430090.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1430090.htm