安全的固態(tài)鋰電池預示著能量儲存的范式轉(zhuǎn)變

生產(chǎn)安全，功能強大且價格合理的固態(tài)鋰電池的競爭正在加速，最近有關(guān)使用固體非易燃陶瓷電解質(zhì)石榴石進行改變游戲規(guī)則研究的公告在競爭中稱其具有革命性。

“這是能量儲存的范式轉(zhuǎn)變，”機械工程助理教授Kelsey Hatzell說。一篇論文 - “孔隙連通性對同步輻射X射線斷層掃描中觀察到的LLZO電解質(zhì)中Li枝晶傳播的影響” - 描述了她對石榴石電解質(zhì)失效點的新研究，于3月在線發(fā)表在美國化學學會的能源快報上，這是當月閱讀最多的ACS Letters文章之一。

鋰離子電池通常含有可以著火的液體有機電解質(zhì)。使用不易燃的石榴石基電解質(zhì)消除了火災風險。用固體有機物如石榴石代替液體電解質(zhì)還可以通過延長電池壽命來降低成本。

“固態(tài)電池適用于全電動汽車和其他能源儲存和安全至關(guān)重要的應用，”Hatzell說。

Hatzell的團隊測試了Li 7 La 3 Zr 2 O 12 - 鋰鑭氧化鋯或LLZO - 一種石榴石型材料，由于其高Li離子傳導性及其與Li金屬的兼容性，顯示出對全固態(tài)電池應用的巨大希望。

“了解這些電解液系統(tǒng)中的失效機理對于設(shè)計彈性固體電解質(zhì)系統(tǒng)至關(guān)重要，”Hatzell說。“LLZO的主要限制是在低電流密度下發(fā)生短路事件的傾向。”

Hatzell的研究使用同步加速器X射線斷層掃描技術(shù)跟蹤實際充電和放電事件后LLZO的結(jié)構(gòu)變化。該技術(shù)允許研究人員查看電池內(nèi)部并查看亞微米分辨率的3D結(jié)構(gòu)特征。

“大多數(shù)使用掃描電子或光學顯微鏡技術(shù)在固體電解質(zhì)中對鋰進行成像的技術(shù)是使用掃描電子或光學顯微技術(shù)進行破壞性或非原位進行的。使用同步加速器工具在更現(xiàn)實的條件下測試材料使我們能夠探測埋藏的界面，”Hatzell說，他的合著者是沉鳳玉，博士后研究員，研究生向輝蕭和馬克迪克西特。

“世界上只存在少數(shù)同步加速器和中子源.Marm是2017年全國中子和X射線散射學校入選的60名研究生之一。”作為該項目的一部分，他花了一周的時間在橡樹嶺國家實驗室和阿貢國家實驗室一周，“Hatzell說。

Argonne的高級光子源和ORNL的散裂中子源和高通量同位素反應器允許對先進材料和相互作用進行納米級研究。Dixit能夠從領(lǐng)先的科學家和專家那里學習同步加速器表征技術(shù)。Hatzell的團隊在Argonne進行了所有測試。

“這些結(jié)果可能為下一代所有固態(tài)電池系統(tǒng)的材料設(shè)計提供信息。結(jié)果表明，空隙或連通孔的存在導致更高的故障率，”Hatzell說。

“盡管仍有大量研究需要將固態(tài)設(shè)備推向市場，但它們在高能量密度電池和電動汽車應用中的應用承諾正引起全球各界的廣泛興趣。”