鋰電池陽極為何短路?科學家或找到原因

【2023年02月07日訊】(記者李宛鴻編譯報導)在尋找新一代電池的陽極材料時,鋰金屬是目前最好的選擇。由於其高容量、低密度和非易燃性的特點,鋰金屬電池可以很大程度上改變電動車及綠色科技革命。

然而其中卻有個致命的問題,即鋰金屬電池往往容易因極小的陶瓷電解質裂縫,也就是鋰金屬晶枝(dendrites)而造成短路。

材料科學家長期以來一直在尋找其發生的原因,從而設計出能避開此不利情況的電池,這個難題也被稱為材料科學界的聖杯。現在,科學家可能終於找到答案了。

1月30日,來自史丹佛大學及SLAC國家加速器實驗室的研究人員,提出證據解釋了為何鋰電池中會形成樹枝狀鋰晶枝。

先前的理論籠統地認為,可能是一些非預期的電子流或是某些不明化學問題導致電池故障。然而經過六十多次的實驗後,研究員最新發現,電池在快速充電的壓力下,陶瓷固態電解質中會出現極微小的奈米級裂縫。有些裂縫的寬度只有20奈米,而一根頭髮的寬度大約是8萬奈米。

這些裂縫將使電池的陽極和陰極之間形成鋰金屬「橋梁」,造成短路。該研究結果發表於1月30日的《自然‧能源》期刊。

「電池只要有小小的坑洞、彎曲或扭曲,就可導致材料中出現奈米級裂縫,進而使鋰入侵至固態電解質而引起短路。」研究的主要共同作者威廉.闕(William Chueh,音譯)表示。「即使是製造過程中摻入的灰塵或其他雜質,也能產生足夠的壓力導致故障。」

為了了解鋰鑽入特定區域並造成短路的原因,研究人員結合電探頭與電解質,製造出一種微型電池。當電池處於靜止狀態時,鋰陽極會按照設計正常表現。然而一旦有任何坑洞、彎曲或扭曲,以及製造過程中所聚集的一點點灰塵,即會增加故障的可能性。

另一位主要共同作者徐新(Xin Xu,音譯)將此過程比作路面坑洞的形成。當輪胎不斷將雨雪擠壓至路面上的小縫隙之中,就會導致路面結構崩壞日益嚴重。儘管是相對來說極小的規模,此情況同樣發生在鋰金屬電池中。

幸運的是,這並不代表鋰金屬未來沒有發展機會,事實上,這次的發現是個好消息。

工程師們可將本次研究的發現納入鋰金屬電池的設計考量,以避免上述問題的產生。該論文作者也提到,他們目前正在研究如何能於製造過程中加強電解質,以及發展不同的塗層方法來覆蓋陶瓷屏障(ceramic barrier),使其在破損產生時能自行維修。

2019年,史丹佛SLAC國家加速器實驗室曾研發一種方法,使鋰金屬電池在循環使用160次後,還能保有85%的電容量。與先前只剩30%相比,這是相當顯著的進步。

「這些進步都開始於一個問題:為什麼?」本篇論文的共同作者崔騰(Teng Cui,音譯)表示。「一旦我們知道答案,我們就能向前邁進。」

現在,研究人員已經明確地知道了針對鋰電池短路問題的答案。鋰金屬的未來不再是會不會到來的問題,而只是何時會到來的問題。◇

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