新型柔軟固體電解質(zhì)的優(yōu)勢(shì)

為了研發(fā)能夠讓電動(dòng)汽車（EV）的續(xù)航里程達(dá)到數(shù)百英里的可充電電池，科學(xué)家們都致力于用鋰金屬陽(yáng)極取代現(xiàn)有電動(dòng)汽車電池中使用的石墨陽(yáng)極。據(jù)外媒報(bào)道，美國(guó)能源部勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（BerkeleyLab）的研究人員與卡內(nèi)基梅隆大學(xué)（CarnegieMellonUniversity）合作，研發(fā)了一種新型的柔軟固體電解質(zhì)。此種電解質(zhì)由聚合物和陶瓷制成，可以在樹(shù)突擴(kuò)散以導(dǎo)致電池失效之前，抑制樹(shù)突在早期成核。該項(xiàng)技術(shù)是伯克利國(guó)際實(shí)驗(yàn)室在其用戶設(shè)施開(kāi)展多學(xué)科合作，研究新想法，以組裝、表征和研發(fā)用于固態(tài)電池中的材料和設(shè)備的一個(gè)示例。

雖然鋰金屬可以將電動(dòng)汽車的續(xù)航新增30%至50%，其也會(huì)縮短電池的使用壽命。因?yàn)闀?huì)出現(xiàn)鋰枝晶（樹(shù)突），即電池多次充放電循環(huán)后在鋰陽(yáng)極上形成的微小的樹(shù)狀缺陷。更糟糕的是，假如樹(shù)突與陰極接觸，還會(huì)導(dǎo)致電池短路。

幾十年來(lái)，研究人員一直認(rèn)為堅(jiān)硬的固體電解質(zhì)，如陶瓷制成的電解質(zhì)，最能防止樹(shù)突穿透電池。不過(guò)，很多人也發(fā)現(xiàn)，此種方法的問(wèn)題在于，其沒(méi)有從一開(kāi)始就阻止樹(shù)突的“形成”或“成核”，就像最終會(huì)在汽車擋風(fēng)玻璃上擴(kuò)散的小裂縫相同。

固態(tài)儲(chǔ)能技術(shù)，如采用固態(tài)電極和固態(tài)電解質(zhì)的固態(tài)鋰金屬電池，既具有高能量密度，也具有優(yōu)異的安全性，但是該技術(shù)還要克服各種與材料和加工相關(guān)的挑戰(zhàn)。研究人員則表示，采用新電解質(zhì)研發(fā)出的鋰金屬電池甚至可以用于驅(qū)動(dòng)電動(dòng)飛機(jī)。

設(shè)計(jì)此種柔軟固體電解質(zhì)的關(guān)鍵是采用了具有微孔的軟聚合物（pIM），其孔隙由納米大小的陶瓷顆粒填充。由于該電解質(zhì)仍然是一種靈活、柔軟的固體材料，電池制造商可以將該電解質(zhì)作為一個(gè)層壓板，在陽(yáng)極和電池隔膜之間制造出一卷鋰箔。此類鋰電極子組件（LESA）是一種很有前景的替代品，可直接取代傳統(tǒng)的石墨陽(yáng)極，讓電池制造商得以采用現(xiàn)有的生產(chǎn)線生產(chǎn)新電池。

為了展示新款pIM復(fù)合材料電解質(zhì)的樹(shù)突壓制性能，研究人員采用伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室先進(jìn)光子源（BerkeleyLab‘sAdvancedLightSource）的X射線，創(chuàng)建鋰金屬和電解質(zhì)之間界面的3D圖像，并將在高電流下長(zhǎng)達(dá)16個(gè)小時(shí)的鋰電鍍和鋰剝離過(guò)程實(shí)現(xiàn)可視化。當(dāng)新的pIM復(fù)合電解質(zhì)出現(xiàn)時(shí)，可以觀察到鋰在持續(xù)平穩(wěn)地上升；當(dāng)沒(méi)有此種電解質(zhì)時(shí)，界面顯示出樹(shù)突開(kāi)始早期生長(zhǎng)的跡象。

上述結(jié)果和其他數(shù)據(jù)都證實(shí)了鋰金屬電沉積物理模型的預(yù)測(cè)，該模型既考慮到了固體電解質(zhì)的化學(xué)特性，也考慮到了機(jī)械特性。

研究人員表示：“雖然電動(dòng)汽車和電動(dòng)垂直起降飛機(jī)（eVTOL）等具有獨(dú)特的功率要求，但是pIM復(fù)合固體電解質(zhì)技術(shù)是多功能的，可以在高功率下工作?！?/p>