<p>采用固體電解質(zhì)的新型鋰金屬電池重量輕、易燃、能儲存大量能量、充電速度快，但由于神秘的短路和故障，發(fā)展緩慢?，F(xiàn)在，斯坦福大學和SLAC國家加速器實驗室的研究人員表示，他們已經(jīng)解開了這個謎團。</p> <p>&nbsp;</p> <p>這歸結于壓力&mdash;&mdash;更準確地說，是機械壓力&mdash;&mdash;尤其是在強力充電期間。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;僅僅是適度的壓痕、彎曲或扭曲電池就會導致材料中的納米級裂縫打開，鋰侵入固體電解質(zhì)，導致短路。&rdquo;工程學院材料科學與工程副教授、新斯坦福多爾可持續(xù)發(fā)展學院能源科學與工程副教授、資深作者William Chueh解釋說。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;即使是在制造過程中引入的灰塵或其他雜質(zhì)也能產(chǎn)生足夠的壓力導致故障。&rdquo;Chueh說，他與機械工程助理教授Wendy Gu一起指導了這項研究。</p> <p>&nbsp;</p> <p>固體電解質(zhì)失效的問題并不新鮮，許多人已經(jīng)研究了這一現(xiàn)象。關于究竟是什么原因，眾說紛紜。一些人認為這是電子無意的流動造成的，而另一些人則認為是化學作用造成的。然而，另一些人則認為有不同的力量在起作用。</p> <p>&nbsp;</p> <p>在1月30日發(fā)表在《自然能源》雜志上的一項研究中，聯(lián)合主要作者Geoff McConohy、Xu Xin和Teng Cui用嚴格的、具有統(tǒng)計學意義的實驗解釋了納米級缺陷和機械應力如何導致固體電解質(zhì)失效。世界各地試圖開發(fā)新型固體電解質(zhì)可充電電池的科學家可以圍繞這個問題進行設計，甚至可以將這一發(fā)現(xiàn)轉化為他們的優(yōu)勢，正如斯坦福大學這個團隊目前正在研究的那樣。</p> <p>&nbsp;</p> <p>能量密集、快速充電、不易燃的長時間鋰金屬電池可以克服廣泛使用電動汽車的主要障礙，還有許多其他好處。</p> <p>&nbsp;</p> <p><span class="h1"><strong>統(tǒng)計顯著性</strong></span></p> <p><br />當今許多主要的固體電解質(zhì)都是陶瓷的。它們能夠快速運輸鋰離子，并將存儲能量的兩個電極物理分離。最重要的是，它們是防火的。但是，就像我們家里的陶瓷一樣，它們的表面會產(chǎn)生微小的裂縫。</p> <p>&nbsp;</p> <p>研究人員通過60多個實驗證明，陶瓷經(jīng)常充滿納米級的裂縫、凹痕和裂縫，許多小于20納米寬。(一張紙大約有10萬納米厚。)Chueh和他的團隊說，在快速充電過程中，這些固有的裂縫打開，允許鋰侵入。</p> <p>&nbsp;</p> <p>在每個實驗中，研究人員將一個電探針應用于固體電解質(zhì)，創(chuàng)建了一個微型電池，并使用電子顯微鏡實時觀察快速充電。隨后，他們使用離子束作為手術刀來了解為什么鋰在陶瓷表面的某些地方聚集，而在其他地方它開始挖洞，越挖越深，直到鋰在固體電解質(zhì)上架橋，造成短路。</p> <p>&nbsp;</p> <p>差的就是壓強。當電子探針僅僅接觸到電解液的表面時，即使電池在不到一分鐘的時間內(nèi)充滿電，鋰也會完美地聚集在電解液的頂部。然而，當探針壓入陶瓷電解質(zhì)，模擬壓痕、彎曲和扭曲的機械應力時，電池更有可能短路。</p> <p>&nbsp;</p> <p>理論轉化為實踐</p> <p><br />一個真實的固態(tài)電池是由一層又一層的陰極-電解質(zhì)-陽極板堆疊而成的。電解質(zhì)的作用是將陰極和陽極物理分離，同時允許鋰離子在兩者之間自由移動。如果陰極和陽極以任何方式接觸或電連接，如通過金屬鋰隧道，就會發(fā)生短路。</p> <p>&nbsp;</p> <p>正如Chueh和他的團隊所展示的那樣，即使是電解質(zhì)和鋰陽極之間的細微彎曲、輕微扭曲或灰塵斑點也會造成難以察覺的裂縫。</p> <p>&nbsp;</p> <p>McConohy說:&ldquo;如果有機會在電解液中鉆洞，鋰最終會蜿蜒穿過，連接陰極和陽極。&rdquo;McConohy去年在Chueh的實驗室完成了博士學位，現(xiàn)在在工業(yè)界工作。&ldquo;當這種情況發(fā)生時，電池就會失效。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>研究人員說，新的理解被反復證明。他們用掃描電子顯微鏡記錄下了這一過程的視頻，而正是這種顯微鏡無法在未經(jīng)測試的純電解質(zhì)中看到新生的裂縫。</p> <p>&nbsp;</p> <p>徐解釋說，這有點像在完美的路面上出現(xiàn)一個坑。在雨雪中，汽車輪胎將水沖入路面上微小的、預先存在的缺陷中，隨著時間的推移，產(chǎn)生越來越大的裂縫。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;鋰實際上是一種柔軟的材料，但是，就像坑洞里的水一樣，只需要壓力就能擴大縫隙并導致失敗。&rdquo;徐博士說，他是覺哲實驗室的博士后學者。</p> <p>&nbsp;</p> <p>有了新的認識，Chueh的團隊正在尋找方法，在制造過程中有意地使用這些相同的機械力來增強材料，就像鐵匠在生產(chǎn)過程中退火刀片一樣。他們還在研究如何在電解液表面涂上涂層，以防止裂紋或在出現(xiàn)裂紋時進行修復。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;這些改進都始于一個問題:為什么?&rdquo;顧的實驗室的博士后學者崔說。&ldquo;我們是工程師。我們能做的最重要的事情就是找出事情發(fā)生的原因。一旦我們知道了這一點，我們就可以改進。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <blockquote> <p>注：本文由院校官方新聞直譯，僅供參考，不代表指南者留學態(tài)度觀點。</p> </blockquote>