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桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行全新納米級(jí)研究 使鋰金屬電池更強(qiáng)大、更持久
時(shí)間:2021-07-21 09:34來(lái)源:蓋世汽車(chē) 作者:Elisha
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（圖片來(lái)源：桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室）
研究人員一直致力于制造可靠的鋰金屬電池。與鋰離子電池相比，這種高性能的儲(chǔ)能電芯可以多存儲(chǔ)50%的能量。然而，這種電池易失效，并存在易爆、易燃等安全問(wèn)題，使其商用受到影響。研究人員為此提出很多原因假設(shè)，但直接證據(jù)相對(duì)較少。
據(jù)外媒報(bào)道，在完整的鋰金屬紐扣電池內(nèi)拍攝的首批納米級(jí)圖片，對(duì)現(xiàn)有主流理論提出挑戰(zhàn)，有助于未來(lái)制造高性能電池，讓電動(dòng)汽車(chē)更安全、更強(qiáng)勁，同時(shí)續(xù)航更長(zhǎng)。
桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Sandia National Laboratories）的電池科學(xué)家Katie Harrison領(lǐng)導(dǎo)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行此項(xiàng)研究，以提高鋰金屬電池的性能。Harrison表示：“我們發(fā)現(xiàn)，應(yīng)該使用針對(duì)鋰金屬進(jìn)行過(guò)調(diào)整的隔板材料。”
最近，桑迪亞的研究人員與賽默飛世爾科技公司（Thermo Fisher Scientific Inc.）、俄勒岡大學(xué)（University of Oregon）和勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Lawrence Berkeley National Laboratory）合作報(bào)告了這些圖像。這項(xiàng)研究得到了桑迪亞實(shí)驗(yàn)室指導(dǎo)研究與發(fā)展項(xiàng)目（Sandia’s Laboratory Directed Research and Development program）和能源部（Department of Energy）的財(cái)政支持。
因內(nèi)部副產(chǎn)物積聚而殺死電池
研究人員使用電動(dòng)汽車(chē)充電時(shí)需要的高密度電流，對(duì)鋰紐扣電芯進(jìn)行反復(fù)充放電。一些電芯只進(jìn)行少量循環(huán)，其他電芯則經(jīng)過(guò)上百次循環(huán)。接著，將這些電芯送至位于俄勒岡州希爾斯伯勒（Hillsboro）的賽默飛世爾科技公司進(jìn)行分析。
當(dāng)研究人員察看電池內(nèi)部的圖像時(shí)，他們本以為會(huì)在電池表面發(fā)現(xiàn)針狀鋰沉積物。大多數(shù)電池研究人員認(rèn)為，在重復(fù)循環(huán)后形成的鋰尖狀物（lithium spike）會(huì)穿過(guò)正負(fù)極之間的塑料隔板，從而形成導(dǎo)致短路的橋接。然而，鋰是一種軟金屬，對(duì)于其如何穿過(guò)隔板，研究人員不甚明了。
令人驚訝的是，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了第二個(gè)罪魁禍?zhǔn)祝蔷褪请姵貎?nèi)部化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的副產(chǎn)物會(huì)形成硬堆積物。每當(dāng)電池充電時(shí)，這些被稱(chēng)為固體電解質(zhì)界面膜的副產(chǎn)物就會(huì)積聚。它蓋住了鋰，并在隔板中形成了小孔，為金屬沉積物提供了開(kāi)口，使其得以擴(kuò)散，最終造成短路。總的來(lái)說(shuō)，鋰沉積物和副產(chǎn)物的危害，比之前想象的要大得多，它們起到的作用更像是掃雪機(jī)，而不是針。Harrison表示：“隔板被完全破壞了。”并且，只有在電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)要求快充電速率時(shí)，才會(huì)出現(xiàn)這種機(jī)制，但在較慢的充電速率下，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)這一點(diǎn)。
桑迪亞的研究人員計(jì)劃改變隔板材料。但是，還需要進(jìn)行深入研究，以減少副產(chǎn)物的產(chǎn)生。
科學(xué)家結(jié)合激光與低溫學(xué)拍攝圖像
找到導(dǎo)致紐扣電池失效的原因很難，問(wèn)題在于其不銹鋼外殼。因?yàn)榻饘偻鈿な雇獠吭\斷方法受限，如Ｘ射線。對(duì)于用于分析的電池部分來(lái)說(shuō)，使用外部方法，可以不必撕裂電池層，并且不會(huì)破壞內(nèi)部可能存在的任何證據(jù)。桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室集成納米技術(shù)中心的納米級(jí)成像科學(xué)家Katie Jungjohann表示：“我們擁有各種工具，可以研究電池的不同組件。然而，我們的確還沒(méi)有一種工具，可以用一個(gè)圖像解決所有問(wèn)題。”
Jungjohann及其同事使用了一種顯微鏡，其中的激光可以穿透電池的外殼。顯微鏡與樣品夾持器相連，樣品夾持器用于支撐在零下100°C和零下120°C之間冷凍的電解質(zhì)。激光器提供足夠的開(kāi)口，讓窄電子束穿透并反彈到探測(cè)器上，從而提供電池內(nèi)部截面的高分辨率圖像，以及可以區(qū)分不同材料的所有可用細(xì)節(jié)。
實(shí)際的演示儀器是其時(shí)美國(guó)唯一的此類(lèi)工具，由位于俄勒岡州的賽默飛世爾科學(xué)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)并仍然可用。目前，更新的副本在桑迪亞，并將得到廣泛使用，幫助解決許多材料和故障分析問(wèn)題。
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