美國能源部橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室（ORNL）研究人員已經(jīng)研發(fā)了一種低成本電脈沖法來改善固態(tài)鋰電池各層之間材料的接觸。該研究解決了一個(gè)開發(fā)更高能量密度的電池的關(guān)鍵問題。
美國能源部（DOE）研究了一種穩(wěn)定的制造過程，可以在更小的面積內(nèi)為鋰離子電池提供至少兩倍的能量密度。
他們說，美國能源部(DoE)的研究人員在消除固態(tài)電池成功商業(yè)化的障礙方面邁出了重要一步，固態(tài)電池可用于電動(dòng)汽車等高能量應(yīng)用以及其他電子設(shè)備。
能源部橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們已經(jīng)研發(fā)了一種可擴(kuò)展且低成本的方法，以改善這些存儲(chǔ)系統(tǒng)中的材料連接，眾所周知，這些存儲(chǔ)系統(tǒng)比當(dāng)前的鋰離子設(shè)計(jì)具有安全性、效率和壽命優(yōu)勢。
研究人員說，有一種稱為接觸阻抗的現(xiàn)象，是在重復(fù)充放電循環(huán)中使材料能夠正確連接且保持穩(wěn)定，這對(duì)于大規(guī)模制造固態(tài)電池來說是一種挑戰(zhàn)。這些電池使用固態(tài)電解質(zhì)材料，而不是目前大多數(shù)商用鋰離子電池使用的液體電解質(zhì)。。
固態(tài)電池可以在更小的面積內(nèi)提供至少兩倍的鋰離子電池能量密度，這是隨著更復(fù)雜應(yīng)用的儲(chǔ)能需求增長，科學(xué)家們熱衷于為它們創(chuàng)造穩(wěn)定可靠的制造工藝的一個(gè)關(guān)鍵原因。
脈沖代替壓力
他們說，直到現(xiàn)在，科學(xué)家們主要專注在高壓和其他方法將材料連接到固態(tài)電池中。然而，研究人員表示這種施壓的方法會(huì)造成電池元件的損壞，還需要使用高價(jià)的市場售后應(yīng)用程序，需要重新應(yīng)用以延長電池壽命。
橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室電氣化部門負(fù)責(zé)人兼工程共同領(lǐng)導(dǎo)人Ilias Belharouak解釋，這種新方法既不存在破壞性又是低成本的，通過發(fā)熱電流來代替壓力，提供了一種更安全的代替方案。
Ilias Belharouak在新聞發(fā)布會(huì)中說：“這種方法將實(shí)現(xiàn)全固態(tài)結(jié)構(gòu)，而不會(huì)施加會(huì)損壞電池的外力，在電池使用期間不會(huì)改變。”
研究人員在先前的工作基礎(chǔ)上，通過電化學(xué)脈沖來修復(fù)固態(tài)電解質(zhì)形成的損傷性枝晶。在這種情況下，他們使用電化學(xué)脈沖消除鋰金屬陽極材料和固態(tài)電解質(zhì)材料連接時(shí)形成的空隙。他們使用的電池是使用陶瓷石榴石型電解質(zhì)LALZO（Li6.25Al0.25La3Zr2O12）作為電解質(zhì)。
Belharouak說，他們發(fā)現(xiàn)使用短且高壓的脈沖會(huì)增加材料界面接觸，但不會(huì)產(chǎn)生不利影響，鋰金屬包裹的空隙周圍的電流會(huì)導(dǎo)致空隙消散。
他在新聞稿中解釋：“我們研發(fā)的過程中，電池可以正常制造，如果電池負(fù)荷太多，可以通過脈沖來恢復(fù)連接接口。”
未來的試驗(yàn)
研究人員在《ACS快報(bào)》雜志上發(fā)表了一篇關(guān)于他們研究的論文。
即使在脈沖成功應(yīng)用之后，該團(tuán)隊(duì)也對(duì)材料進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn)和高級(jí)表征，以驗(yàn)證其可行性。其試驗(yàn)結(jié)果顯示，該方法不會(huì)降低電池組件性能，這就意味著可以移除固態(tài)設(shè)備內(nèi)的材料并將其刷新至原始容量。
研究人員說，我們團(tuán)隊(duì)計(jì)劃繼續(xù)這項(xiàng)工作，包括使用更先進(jìn)的電解質(zhì)材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
Belharouak補(bǔ)充說，橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室研究人員也正在努力升級(jí)方法，將該方法運(yùn)用到產(chǎn)業(yè)規(guī)模的固態(tài)電池系統(tǒng)中，以證明該技術(shù)可以從實(shí)驗(yàn)室過渡到現(xiàn)實(shí)世界。
他說：“有時(shí)候在實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的東西放入到電池結(jié)構(gòu)中時(shí)，卻不能達(dá)到很好的效果。”團(tuán)隊(duì)希望可以避免這一情況。
中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì) 楊柳翻譯
2022.1.7
