2022-09-11
 
修复一个隐藏的缺陷可以解锁更好的电动汽车电池
2022年09月11日  

固态电池可以在电动汽车中发挥关键作用,有望比传统锂离子电池充电更快、续航里程更长、寿命更长。但目前的制造和材料加工技术使固态电池容易出现故障。现在,研究人员发现了失败背后隐藏的缺陷。下一步是设计能够解释这些缺陷的材料和技术,并生产下一代电池。

在固态电池中,被称为离子的带电粒子在固体材料中穿过电池,而传统的锂离子电池中离子在液体中移动。根据新发现,固态电池具有优势,但固态材料的局部变化或微小缺陷可能导致电池磨损或短路。

“统一的材料很重要,”首席研究员凯尔西·哈泽尔(Kelsey Hatzell)说,他是安德林格能源与环境中心机械与航空航天工程助理教授。“你希望离子在空间的每一点以相同的速度移动。”

在9月1日发表在《自然材料》杂志上的一篇文章中,哈泽尔和合著者解释了他们如何使用阿贡国家实验室的高科技工具,在实际给电池充电和放电的同时,检查和跟踪电池内纳米级材料的变化。代表普林斯顿工程、范德比尔特、阿贡和橡树岭国家实验室的研究团队检查了电池固体电解质(电池的核心部分)中由晶体组成的颗粒,电池的固体电解质是电荷移动的核心部分。研究人员得出结论,颗粒之间的不规则性会加速电池故障,因为离子会更快地移动到电池中的一个区域,而不是另一个区域。调整材料加工和制造方法有助于解决电池的可靠性问题。

电池将电能储存在构成其电极的材料中:阳极(电池的一端标有负号)和阴极(电池的端标有加号)。当电池放电为汽车或智能手机供电时,带电粒子(称为离子)穿过电池移动到阴极(正极)。电解质,固体或液体,是离子在阳极和阴极之间的路径。没有电解质,离子不能在阳极和阴极中移动和储存能量。

在固态电池中,电解质通常是陶瓷或致密玻璃。具有固体电解质的固态电池可以实现更高能量密度的材料(例如锂金属),并使电池更轻和更小。重量、体积和充电容量是电动车辆等运输应用的关键因素。固态电池也应该比其他形式更安全,更不易着火。

工程师们已经知道,固态电池在电解液中容易发生故障,但故障似乎是随机发生的。哈泽尔和其他研究人员怀疑,这些故障可能不是随机的,而是由电解质晶体结构的变化引起的。为了探索这一假设,研究人员使用阿贡国家实验室的同步加速器产生强大的X射线,使他们能够在运行过程中观察电池。他们将X射线成像和高能衍射技术结合起来,以埃的尺度研究石榴石电解质的晶体结构,大约相当于单个原子的大小。这使得研究人员能够在晶体水平上研究石榴石的变化。

石榴石电解质由称为颗粒的积木组成。在单个电解质(直径1mm)中,几乎有30000个不同的颗粒。研究人员发现,在30000粒谷物中,有两种主要的结构排列。这两种结构以不同的速度移动离子。此外,这些不同的形式或结构“可能导致应力梯度,导致离子在不同方向移动,离子避开细胞的部分,”Hatzell说。

她将带电离子通过电池的运动比作水沿着河流向下移动,遇到岩石,使水重新定向。具有大量离子通过的区域往往具有较高的应力水平。

哈泽尔说:“如果所有的离子都流向一个位置,这将导致快速失效。”。“我们需要控制离子在电解质中移动的位置和方式,以便制造可持续数千次充电循环的电池。”

哈泽尔说,通过制造技术和添加少量称为掺杂剂的不同化学物质来稳定电解质中的晶体形态,应该可以控制晶粒的均匀性。

她说:“我们有很多假设没有经过测试,如何避免这些异质性。”。“这肯定是一个挑战,但并非不可能。”

这篇文章“石榴石固体电解质的多态性及其对颗粒级化学力学的影响”发表在《自然材料》杂志上。

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