全固态电池失效研究取得最新进展！

全固态电池是一种所有材料都以固态形式存在的储能电池，作为锂离子电池之外的下一个重大进步，已经引起了人们的关注，它能储存更多的能量，同时比锂电池更为安全。当固态电池能够实现大量生产时，它将彻底改变电动汽车，能有效地增加行驶里程或显著降低体积和重量。

然而，固态电池在实际电流下循环(重复充电和放电)后可能会失效，这一直是其大规模商业化的障碍之一。

在《自然材料》杂志发表的一篇题为“临界剥离电流导致锂阳极固体电解质电池电镀时枝晶形成”的新论文中，牛津大学法拉第研究所的研究人员在理解固态电池失效的机理方面向前迈出了一步——这是避免这种失效的必要前提。

枝晶是锂的分支网络，在电池充电期间通过固体、陶瓷和电解质生长，导致短路。

锂金属/锂6PS5Cl界面示意图，在高于阴极保护系统的总电流密度下循环

“这项研究加深了我们对固态电池为什么会有这种行为的基本了解，”牛津大学材料与化学系的彼得·布鲁斯教授和法拉第研究所SOLBAT项目的首席研究员表示:“我们的深入理解将有助于避免固体电解质电池中锂金属阳极的一些问题”该项目的团队领导了这项研究。

固态电池阳极的空穴产生早已被认识，但它们在枝晶形成中的作用还不清楚。该研究结合了尖端电化学和成像技术，对空穴的循环函数及其在枝晶和电池故障中的作用形成了基本的理解。

值得注意的是，失效模型中的参数与关键的物理特性相关，这些物理特性可用作抑制空隙形成和电池失效的“杠杆”。

“关键是要打破阻碍技术走向市场的科学壁垒，这些技术将使我们能够展望移动性的未来。牛津研究人员的这项研究是法拉第研究所推动科学进步的一个早期例子，”英国研究与创新中心ISCF法拉第电池挑战赛主任托尼·哈珀说。

研究临界电流密度对剥离的重要性

研究固态电池的科学家面临的一个众所周知的挑战是，当电池在充电和不充电状态之间循环时如何去阻碍枝晶生长(如果电池被用于电动汽车，它们将不得不反复这样做)。

另一个重要问题是在剥离(电池放电)过程中固体电解质和锂阳极(带负电的电极)之间形成空隙，这导致电池单元的这两个部分之间的接触面积减小。

用含有通常两个电极的电池进行实验，很难将锂电镀和剥离分开。在本研究中，研究人员使用三电极电池分别研究电池循环中锂金属/陶瓷界面上锂金属的电镀和剥离过程。

选用银云母Li6PS5Cl作为固体电解质。这种硫化物比氧化物具有更高的导电性，正被几家试图将固态电池商业化的公司作为电解质进行研究。Argyrodite的优点是比其他高导电硫化物更不易碎。

研究人员发现，如果要在全固态电池中避免枝晶形成，在锂剥离过程中，在锂金属/固体电解质界面处开始形成空隙的临界电流密度以下循环电池是至关重要的。

即使电流密度低于电镀时枝晶形成的阈值，情况也是如此。当电流密度大于CCS时，循环时会积聚空隙，锂/固体电解质接触面积相应减小，结果局部电流密度增大，直到达到电镀时枝晶形成的值，导致短路和电池故障。

这可能需要多次循环，但研究表明，如果总电流密度大于临界电流，电池故障是不可避免的。这些结果表明，在实际电流密度下实现全固态电池循环的重要因素不仅仅是枝晶形成的电流密度；剥离电流也很重要。

研究人员还得出结论，锂金属蠕变是锂金属在界面上传输的主要机制。

从事这项发现的团队包括理论学家和实验学家的混合体，属于法拉第研究所培育的多学科研究环境。

为电动汽车开发商用全固态电池

小型、不可充电的固态电池在商业应用中日益增多，例如，在心脏监测等医疗植入物中。然而，在电动汽车中使用所需规模的固态电池的制造方面，以及在电动汽车的整个寿命期内确保这种装置安全运行并达到可接受的性能水平方面，仍然存在相当大的挑战。

目前电动车中使用的锂离子电池含有易燃的有机液体电解质，在电池的充放电过程中，携带电荷的锂离子通过该电解质。这种液体存在固有的安全隐患。用固体代替液体电解质将消除火灾风险。

在世界范围内，大量的科学研究正在致力于开发新的电池化学物质，以实现电池性能(功率密度和能量密度)，从而使电动汽车的驾驶体验与使用内燃机驾驶汽车的期望一致。消除对液体电解质的需求将是开发具有锂金属阳极的电池的先决条件，这可以实现显著的性能改进。

编译自：ENERGY TECH

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