“像玻璃一樣脆裂”：首次實(shí)時觀察揭示脆性鋰枝晶的弱點(diǎn)

科學(xué)家實(shí)時捕捉到鋰枝晶的斷裂過程，揭示了固態(tài)電池設(shè)計(jì)中的潛在風(fēng)險。

休斯頓大學(xué)的一位工程師發(fā)現(xiàn)，電池內(nèi)部的鋰枝晶并不像此前認(rèn)為的那樣柔軟，而是像脆性、剛性的結(jié)構(gòu)一樣，能夠造成嚴(yán)重?fù)p害。

這些在充電過程中生長的微小結(jié)構(gòu)，長期以來被認(rèn)為會引發(fā)短路和火災(zāi)。

但由姚彥領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)如今證明，枝晶具有機(jī)械強(qiáng)度且容易折斷，其性質(zhì)更接近玻璃而非金屬。

這一發(fā)現(xiàn)挑戰(zhàn)了電池科學(xué)領(lǐng)域長達(dá)數(shù)十年的假設(shè)，即金屬鋰具有延展性，可被固態(tài)電解質(zhì)輕易阻擋。

相反，研究表明枝晶如同堅(jiān)硬的針，能夠刺穿電池內(nèi)部組件。

研究團(tuán)隊(duì)通過實(shí)時捕捉固態(tài)電池在工作狀態(tài)下枝晶形成與斷裂的影像，直接觀察到了這一行為，為理解這些結(jié)構(gòu)在運(yùn)行條件下的動態(tài)提供了罕見視角。

被顛覆的假設(shè)

“幾十年來，科學(xué)界一直認(rèn)為固態(tài)電解質(zhì)可以輕易阻擋枝晶，因?yàn)殇嚤徽J(rèn)為是一種柔軟、有延展性的金屬。我們證明了它們實(shí)際上是脆性的，會像玻璃一樣斷裂，”姚彥表示。

枝晶是微小的晶體結(jié)構(gòu)，通常直徑僅有幾百納米。盡管尺寸微小，它們卻能穿透隔膜和電解質(zhì)，導(dǎo)致內(nèi)部失效。

研究解釋說，枝晶的剛性源于其納米級單晶鋰核心，并在運(yùn)行過程中形成的表面涂層進(jìn)一步增強(qiáng)。

這種組合使枝晶在生長過程中保持結(jié)構(gòu)完整性，從而增加了它們刺穿電池內(nèi)部保護(hù)屏障的風(fēng)險。

研究人員利用操作態(tài)掃描電子顯微鏡，拍攝下了枝晶實(shí)時斷裂的過程。

這需要休斯頓大學(xué)開發(fā)的一種專用無空氣腔室，使其能夠在不受干擾的情況下觀察運(yùn)行中電池的內(nèi)部情況。

這些發(fā)現(xiàn)也凸顯了枝晶的形成機(jī)制及其持續(xù)的危險性。鋰枝晶的產(chǎn)生有多種原因，包括快速充電和低溫環(huán)境。

盡管直徑僅幾百納米，比人類頭發(fā)的百分之一還要細(xì)，

但這些結(jié)構(gòu)足以引發(fā)短路和火災(zāi)，使其成為高能電池中最頑固的安全隱患之一。

針狀失效機(jī)制

“通過首次在運(yùn)行中的固態(tài)電池內(nèi)部拍攝到這一過程……我們證明了用于設(shè)計(jì)下一代電池的策略必須改變，”姚彥說。

直接可視化枝晶行為的能力，為理解為何通常被視為更安全替代方案的固態(tài)電池仍面臨可靠性挑戰(zhàn)提供了新見解。

研究結(jié)果表明，僅依賴固態(tài)電解質(zhì)可能不足以阻止枝晶穿透。

相反，研究人員指出了替代方法，例如使用鋰合金負(fù)極，這可能降低脆性斷裂的風(fēng)險。
了解枝晶的機(jī)械性能也有助于工程師設(shè)計(jì)更能抵抗穿透的材料。

該研究建立在該團(tuán)隊(duì)早先關(guān)于固態(tài)電池隨時間退化機(jī)制的工作基礎(chǔ)之上。

綜合這些見解，有助于提高用于電動汽車、消費(fèi)電子產(chǎn)品和電網(wǎng)應(yīng)用的儲能系統(tǒng)的安全性和使用壽命。

這項(xiàng)研究發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。

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