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中外大學(xué)聯(lián)合揭示鋰枝晶生長機(jī)理 助力全固態(tài)電池商業(yè)化
時間:2020-01-08 15:51來源:知社學(xué)術(shù)圈 作者:綜合報道
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鋰離子二次電池以其高能量密度已在便攜式電子設(shè)備領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，但是依然不能滿足電動汽車和電網(wǎng)等大容量儲能裝置對高能量密度的需求。金屬鋰具有高比容量（3860 mAh g-1）和低電化學(xué)勢（‒3.04 V相對于標(biāo)準(zhǔn)氫電極），是理想的高能量密度負(fù)極材料。以金屬鋰為負(fù)極的固態(tài)電池被認(rèn)為是高能量密度、高安全性可充放儲能裝置未來的發(fā)展方向。
但研發(fā)金屬鋰電池極具有挑戰(zhàn)，雖然歷時多年，以金屬鋰為負(fù)極的高能量密度可充放電池仍未實現(xiàn)商業(yè)化，其中最主要原因是在循環(huán)過程中的不可控鋰枝晶（一種樹狀晶體，其針狀突起稱為晶須）生長，當(dāng)鋰枝晶生長到一定程度時可穿透固態(tài)電解質(zhì)，使電池短路失效；此外，如果鋰枝晶發(fā)生纏繞或斷裂，就會形成“死鋰”，造成電池容量嚴(yán)重衰減，因此鋰枝晶的生長是阻礙金屬鋰電池應(yīng)用的最大障礙。
諸多研究致力于探索如何抑制鋰枝晶的產(chǎn)生，但是以往研究主要停留在宏觀尺度，鋰枝晶生長的微觀機(jī)理、力學(xué)性能、刺穿固態(tài)電解質(zhì)的機(jī)制及抑制其生長的科學(xué)依據(jù)都不清楚。
燕山大學(xué)黃建宇教授、沈同德教授和唐永福副教授等聯(lián)合美國佐治亞理工學(xué)院朱廷教授和賓夕法尼亞大學(xué)張宿林教授，在Nature Nanotechnology發(fā)表題為“Lithium whiskers growth and stress generation in an in situ atomic force microscope-environmental transmission electron microscope setup”的研究論文，實時、直觀地記錄了鋰枝晶生長的微觀機(jī)制，精準(zhǔn)測定了其力學(xué)性能和力—電耦合特性，并提出固態(tài)電池中抑制鋰枝晶生長的可行性方案。張利強(qiáng)博士和楊婷婷博士研究生為論文的共同第一作者。
圖1： AFM-ETEM納米電化學(xué)測試平臺。可實現(xiàn)原位觀測納米固態(tài)電池中鋰枝晶生長機(jī)制及其力學(xué)性能和力-電耦合精準(zhǔn)定量測量。
研究者們將原子力顯微鏡（AFM）和環(huán)境透射電子顯微鏡（ETEM）相結(jié)合，實現(xiàn)原位納米尺度鋰枝晶生長及其力學(xué)性能、力-電耦合精準(zhǔn)測定。發(fā)現(xiàn)鋰枝晶生長過程中可產(chǎn)生的應(yīng)力高達(dá)130MPa， 通過原位壓縮實驗發(fā)現(xiàn)鋰枝晶屈服強(qiáng)度高達(dá)244MPa，這一數(shù)值遠(yuǎn)高于宏觀金屬鋰的屈服強(qiáng)度（——1MPa）。
該論文的創(chuàng)新之處在于：
發(fā)明了一種基于原子力顯微鏡—環(huán)境透射電鏡（AFM-ETEM）原位電化學(xué)測試平臺。AFM一方面作為生長鋰枝晶的電極，另一方面對鋰枝晶生長過程中產(chǎn)生一個約束力，還可同時實時監(jiān)測生長應(yīng)力大小。該平臺可廣泛應(yīng)用于研究鈉、鉀、鎂、鈣等電池體系中枝晶生長的力學(xué)以及力-電耦合問題。
建立起了一種有效的研究鋰枝晶的動態(tài)原位實驗表征新技術(shù)，確定了電化學(xué)驅(qū)動和非電化學(xué)驅(qū)動下微納尺度鋰枝晶的力學(xué)性能，提出了一種基于固態(tài)電解質(zhì)的結(jié)構(gòu)缺陷、力學(xué)性能與鋰枝晶力學(xué)性能適配關(guān)系實現(xiàn)抑制鋰枝晶生長的可行性方案。
巧妙利用ETEM技術(shù)，通過在ETEM中通入CO2，在Li金屬表面原位生長出納米尺度的Li2CO3固態(tài)電解質(zhì)（SEI）保護(hù)層。正是這一層超薄的Li2 CO3SEI保護(hù)層顯著地提高了超活潑鋰金屬在透射電鏡中的穩(wěn)定性，防止其受到電子束損傷，從而實現(xiàn)了在室溫條件下亞微米級鋰枝晶生長過程的原位成像、力學(xué)性能以及力-電耦合測量。
該研究顛覆了研究者對鋰枝晶力學(xué)性能的傳統(tǒng)認(rèn)知，為抑制全固態(tài)電池中鋰枝晶生長提供了新的定量基準(zhǔn)。為設(shè)計具有高容量長壽命的金屬鋰固態(tài)電池提供了科學(xué)依據(jù)。該研究成果將助力固態(tài)電池在電動汽車、大型儲能和便攜電子器件等領(lǐng)域應(yīng)用研發(fā)。該工作得到國家基金委和科技部的大力支持。
文章標(biāo)簽：
全固態(tài)電池
鋰枝晶
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