蓋世汽車(chē)訊 純鋰金屬或可成為目前電動(dòng)汽車(chē)電池中使用的石墨負(fù)極的替代品。相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，純鋰金屬可以極大地減輕電池重量并顯著延長(zhǎng)電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航里程。但在用于汽車(chē)之前，科學(xué)家們需要首先明白如何延長(zhǎng)鋰金屬電池的壽命。

據(jù)外媒報(bào)道，由美國(guó)能源部（DOE）布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Brookhaven National Laboratory）和石溪大學(xué)（Stony Brook University）的化學(xué)家Peter Khalifah領(lǐng)導(dǎo)的一項(xiàng)新研究，跟蹤了電池陽(yáng)極在循環(huán)過(guò)程中鋰金屬的沉積和去除，以尋找相關(guān)故障發(fā)生方式的秘密。

Khalifah表示：“一個(gè)好電池的鋰電鍍（沉積）和剝離（去除）的速率在電極表面的所有位置都是相同的。而研究結(jié)果表明，在某些地方去除鋰非常困難，這表明該位置存在問(wèn)題。通過(guò)找出問(wèn)題原因，我們可以弄清楚如何解決問(wèn)題，并制造出容量更高、壽命更長(zhǎng)的電池。”

（圖片來(lái)源：布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室）

在美國(guó)能源部阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的美國(guó)能源部科學(xué)辦公室Advanced Photon Source，Khalifah及其合作者使用強(qiáng)X射線進(jìn)行了這項(xiàng)研究。他們成功跟蹤鋰在一個(gè)完整的充放電循環(huán)中從陰極穿梭到陽(yáng)極并返回的過(guò)程。

Khalifah表示：“X射線可以直接穿透電池，因此可以快速地進(jìn)行多次測(cè)量，以跟蹤電池變化時(shí)發(fā)生的情況。據(jù)悉，目前還沒(méi)有人能夠在鋰穿梭發(fā)生時(shí)使用X射線來(lái)繪制路徑。”

面臨的挑戰(zhàn)之一是使用X射線很難看到鋰原子。在陰極和陽(yáng)極之間移動(dòng)的少量鋰原子發(fā)出的微弱信號(hào)很容易被電池其他材料發(fā)出的更強(qiáng)信號(hào)所掩蓋，包括來(lái)自純鋰金屬陽(yáng)極上大量鋰的信號(hào)。

為了解決上述問(wèn)題，Khalifah的研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出一種使用“裸”陽(yáng)極的電池，當(dāng)然這個(gè)裸是相對(duì)于預(yù)先存在的鋰而言。因此穿梭鋰離子的信號(hào)更容易測(cè)量。隨后，研究人員對(duì)兩種不同陽(yáng)極材料銅和鉬進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)在這些電池運(yùn)行期間，鋰離子從陰極材料中提取出來(lái)后會(huì)以純鋰金屬的形式沉積在這些材料上。因此研究人員能夠跟蹤一致的鋰金屬是如何添加及移除到陽(yáng)極表面的。通過(guò)比較使用銅和鉬陽(yáng)極的過(guò)程，研究人員也可確定這兩種金屬間的差異，從容有益于設(shè)計(jì)改進(jìn)的電池。通過(guò)試驗(yàn)，該團(tuán)隊(duì)繪制出在電池在充放電各個(gè)階段時(shí)電極上鋰的含量。

收集包含數(shù)百個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的地圖大約需要一個(gè)小時(shí)。該映射數(shù)據(jù)可用于識(shí)別因電池充放電而發(fā)生的變化，但數(shù)據(jù)收集過(guò)程太慢，無(wú)法用于跟蹤發(fā)生的變化。因此，科學(xué)家們使用一種更快速的數(shù)據(jù)收集程序，在電池循環(huán)期間多次掃描10個(gè)像素特定位置。

Khalifah表示：“首先，我們?cè)陔姵靥幱陟o止?fàn)顟B(tài)時(shí)制作地圖，從零容量開(kāi)始，然后在充電至一半容量時(shí)進(jìn)行像素測(cè)量。然后停止充電并制作另一張地圖，然后在充電至滿容量時(shí)恢復(fù)特定像素的測(cè)量。接下來(lái)，我們?cè)诶^續(xù)交替映射和像素掃描的同時(shí)對(duì)電池進(jìn)行放電，在半放電和完全放電時(shí)也會(huì)停下來(lái)收集地圖。”

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

結(jié)果表明，銅陽(yáng)極在充電過(guò)程中的所有點(diǎn)都表現(xiàn)良好：一半鋰容量在陽(yáng)極上沉積到半充電狀態(tài)，且所有可能的鋰在完全充電狀態(tài)下沉積。

放電時(shí)，像素之間出現(xiàn)較大差異。在某些像素中，鋰的去除與放電成正比（一半鋰在半放電狀態(tài)下被剝離，而在完全放電時(shí)又全部消失）。其他像素在鋰去除方面表現(xiàn)滯后，其中在放電的前半部分剝離緩慢，然后通過(guò)完全放電加速以完成該過(guò)程。在其他地方，滯后非常嚴(yán)重，即使電池完全放電，大部分鋰仍留在陽(yáng)極上。

Khalifah表示：“一旦留鋰下，就會(huì)降低電池的容量。每留下一個(gè)鋰原子，就意味著少一個(gè)電子流過(guò)由電池供電的外部電路，從而無(wú)法提取電池的所有容量。”

由于鋰的不完全剝離使得電池出現(xiàn)異常的發(fā)現(xiàn)震驚了科學(xué)界，因?yàn)橹暗脑S多科學(xué)家都認(rèn)為鋰鍍層是導(dǎo)致鋰金屬電池產(chǎn)生問(wèn)題的根源。

Khalifah解釋?zhuān)骸耙话銇?lái)說(shuō)，人們認(rèn)為鋰金屬沉積會(huì)更加困難，因?yàn)樵颖仨毎凑者@種金屬晶體結(jié)構(gòu)的特定排列進(jìn)行組織。而去除鋰應(yīng)該較容易，因?yàn)楸砻嫔系娜魏卧佣伎梢员粠ё撸鵁o(wú)需遵循任何特定的模式。此外，如果鋰的添加速度比原子在表面上均勻沉積的速度更快，則會(huì)產(chǎn)生針狀樹(shù)突，從而可能會(huì)引起電池短路（并可能起火）。”鉬陽(yáng)極在電鍍過(guò)程中比銅的變化更多，但在剝離過(guò)程中變化較小。

Khalifah表示：“由于在剝離過(guò)程中鋰表現(xiàn)更好，因此陽(yáng)極還出現(xiàn)最大的整體不規(guī)則性，這意味著使用鉬箔基板而非銅基板的電池可能會(huì)產(chǎn)生更高容量的電池。”

然而，科學(xué)家尚不清楚金屬選擇是否影響鉬陽(yáng)極的性能。另一個(gè)影響因素可能是電解質(zhì)的分布，即鋰離子在陽(yáng)極和陰極之間穿梭的液體。

該測(cè)繪數(shù)據(jù)顯示，性能不佳的區(qū)域出現(xiàn)在約5毫米寬的點(diǎn)上。這些斑點(diǎn)的大小和形狀以及與其他實(shí)驗(yàn)的比較表明，液體電解質(zhì)在整個(gè)電池單元中的不良擴(kuò)散可能是造成這些區(qū)域局部容量損失的原因。Khalifah稱(chēng)，若事實(shí)如此，那么通過(guò)采用其他在陰極上分配電解質(zhì)的更佳方式，電池性能可獲得提高。

Khalifah表示：“后續(xù)的試驗(yàn)旨在區(qū)分金屬和溶劑效應(yīng)，以及測(cè)試策略有效性，以緩解電解質(zhì)不均勻等潛在問(wèn)題，從而助力推進(jìn)開(kāi)發(fā)長(zhǎng)壽命、高容量鋰金屬負(fù)極電池。”

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