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研究人員探討如何避免電池鋰枝晶穿透現(xiàn)象

時(shí)間:2020-09-24 09:47來(lái)源:蓋世汽車(chē) 作者:Elisha

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WUSTL

隨著消費(fèi)者需求的增長(zhǎng)，工程師們需要在保持甚至提高電池容量的同時(shí)，設(shè)計(jì)出更加緊湊的電池。從理論上看，在不把充電電流密度提高到臨界點(diǎn)(即極限電流密度)的情況下，電池容量似乎還有很大的增長(zhǎng)空間。超過(guò)臨界點(diǎn)，電池才會(huì)短路。然而，在當(dāng)前的電池工作密度（即在限定的時(shí)間內(nèi)通過(guò)特定區(qū)域的電荷量）下，雖然該數(shù)值遠(yuǎn)低于臨界點(diǎn)，電池已經(jīng)失效。

據(jù)外媒報(bào)道，華盛頓大學(xué)麥凱維工程學(xué)院（McKelvey School of Engineering）助理教授Peng Bai的實(shí)驗(yàn)室研究表明，不僅可以使電池在電流密度接近臨界點(diǎn)時(shí)才發(fā)生短路，而且能夠精確預(yù)測(cè)任一特定電流密度下的短路時(shí)間。

導(dǎo)致鋰電池失效的原因有很多，其中一個(gè)問(wèn)題由來(lái)已久，即高電流密度下出現(xiàn)的枝晶穿透現(xiàn)象。鋰枝晶是一種樹(shù)形結(jié)構(gòu)，形成于電池的鋰鍍層上。它們可以迅速穿過(guò)電池的陶瓷隔膜，即電池正極和負(fù)極之間的多孔塑料膜。一旦枝晶穿過(guò)隔膜，電池就會(huì)短路。枝晶生長(zhǎng)取決于電流密度，當(dāng)電流密度高于預(yù)期或設(shè)計(jì)的3個(gè)數(shù)量級(jí)時(shí)，電池中會(huì)出現(xiàn)枝晶。在之前的研究中，研究人員打開(kāi)電池，會(huì)看到隔膜上的黑點(diǎn)，那就是枝晶穿透隔膜的位置。

主要研究人員Youngju Lee進(jìn)行同樣的研究，分析黑點(diǎn)覆蓋的區(qū)域。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，它們占隔膜總面積的0.1%，這意味著對(duì)應(yīng)的電流要比預(yù)期值高1000倍。在沒(méi)有達(dá)到臨界電流密度的情況下，電池怎么會(huì)短路，這是一個(gè)謎題。Bai說(shuō)：“在設(shè)計(jì)電池時(shí)，我們使用電極或隔膜的整個(gè)面積來(lái)計(jì)算電流密度。”但是，高電流密度是局部發(fā)生的。

研究人員利用一種獨(dú)特的、透明的微管電芯，來(lái)觀察鋰金屬生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)，通過(guò)隔膜孔，重建實(shí)際的金屬刺穿動(dòng)態(tài)過(guò)程。Bai說(shuō)：“我們發(fā)現(xiàn)它比我們想象的更復(fù)雜，它對(duì)通道的幾何形狀非常敏感。”他們發(fā)現(xiàn)，從本質(zhì)上看，具有收斂截面面積的單一電解液通道，以及有效實(shí)用的隔膜（在金屬生長(zhǎng)方向上可能導(dǎo)致穿透孔越來(lái)越少），將加速并加劇這種動(dòng)態(tài)，導(dǎo)致電池更快短路。Lee說(shuō)：“如果你擁有擴(kuò)張的通道，你可以延遲甚至避免枝晶形成。這就是我們的發(fā)現(xiàn)。”

研究人員不僅描述了這種關(guān)系，而且用一個(gè)數(shù)字來(lái)表達(dá)。Lee表示：“物理量、電流密度和短路時(shí)間非常重要，這個(gè)數(shù)字定義了它們之間的關(guān)系。”如果這個(gè)數(shù)字(Sand公式中的指數(shù))小于負(fù)2，那么你就會(huì)擁有更安全的鋰離子電池。如果高于負(fù)2，比如-1.5，那就不好了。Bai說(shuō)：“你的電池會(huì)很快短路，早于標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測(cè)的時(shí)間。”

Bai 指出，“人們很容易將電池失效歸咎于枝晶穿透，但更重要的是，要徹底理解實(shí)際情況下的動(dòng)態(tài)。然而，我們從未做過(guò)的是，能夠一致地預(yù)測(cè)所有電流密度下的所有短路時(shí)間。

“我們找到了一種方法，不僅更加精確，而且可以進(jìn)行預(yù)測(cè)，因?yàn)槲覀冎肋@個(gè)系統(tǒng)的真實(shí)物理狀態(tài)。因此，我們可以依靠這個(gè)單一的數(shù)字，即Sand的時(shí)間指數(shù)，來(lái)評(píng)估隔膜的安全水平，并指導(dǎo)優(yōu)化，使其小于-2，這樣我們就可以避免枝晶全部穿透。”

(責(zé)任編輯：子蕊)

文章標(biāo)簽：電池鋰枝晶穿透

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