亿迅智能制造网
工业4.0先进制造技术信息网站!
首页 | 制造技术 | 制造设备 | 工业物联网 | 工业材料 | 设备保养维修 | 工业编程 |
home  MfgRobots >> 亿迅智能制造网 >  >> Industrial materials >> 复合材料

革新储能:固态电解质锂电池实现安全、大容量、快充

作者:Andrew Corselli

艺术家渲染:原子级薄银涂层及表下银原子,保护固态电解质晶体结构免受机械应力。(图片:Chaoyang Zhao)

理论上,电池正负极间若用固态而非液态电解质,可实现比商用锂离子电池更安全、能量密度大得多、充电快得多的可充电锂金属电池。数十年来,科学家工程师探索多条路径以兑现锂金属电池巨大潜力。研究中固态晶体电解质的主要难题:使用中形成微观裂纹,逐渐扩展直至电池失效。

斯坦福研究人员基于三年前发表的成果(揭示微观缺陷形成扩展机理),发现给固态电解质表面退火极薄银涂层,似乎大幅解决了该问题。据《Nature Materials》报道,该涂层使电解质表面抗机械压力断裂能力提升五倍。还使现有缺陷对锂枝晶钻入的脆弱性大幅降低,特别是快充时,纳米裂纹易演变为纳米裂隙最终报废电池。

“我们和其他人研究的固态电解质是一种陶瓷,Li+离子易穿梭但脆性大,”资深作者、机械工程副教授Wendy Gu说。“微观尺度下,不像家里有微裂纹的陶瓷盘碗。”

“真实固态电池由阴极-电解质-阳极片层叠。制造时连最微小缺陷都难避免,成本极高,”Gu说。“我们决定保护层更现实,极微量银似乎效果很好。”

先前研究曾探讨金属银涂层改善同种固态电解质(LLZO,含锂、镧、锆、氧)性能。早期研究用金属银提升性能,新研究用失去一个电子的溶解态银(Ag+)。这种带电溶解银——而非金属银——直接导致陶瓷抗裂纹形成能力增强。

研究者在LLZO表面沉积3纳米厚银层,加热至300°C(572°F)。加热中银原子扩散入电解质表层,与更小锂原子置换,深度20-50纳米。银保持正离子态而非金属态,科学家认为这是防止裂纹形成的关键。缺陷处正银离子也阻止锂侵入生长破坏性枝晶。

“研究表明纳米银掺杂从根本上改变电解质表面裂纹起始扩展机制,为下一代储能技术创造耐用、抗失效固态电解质,”时任研究主笔Xin Xu现亚利桑那州立大学工程助理教授说。

以下为Tech Briefs独家专访(编辑精简):

Tech Briefs:退火涂层最大技术挑战是什么?

Xu:先澄清,我们绝非首个想到用银的团队。固态电池用银涂层几年了,多作锂金属与固态电解质间中间层。确实有效。但我们切入点不同。我们把银视为“魔法元素”。它大、极易极化。

意味着银原子极灵活,能挤入小离子进不去的位置。假设很简单:若银能扩散/挤入电解质晶格,可能产生压应力,从而增韧材料,抗裂纹能力更强。

最初想“多难?放上银就行。”结果极难。最大挑战:固态电解质极敏感空气。水分反应CO2在表面形成污染层。实验室极易发生。一旦表面污染层形成,银无法按预期扩散。

最终意识到表面洁净度至关重要。制备超洁净表面后,银才能扩散入电解质产生目标压应力。从此我们对实验室环境控制近乎偏执。从样品制备、涂层表征到测试,每步都在严格无气环境下。甚至专门设计定制无气传输容器。亚马逊上都卖。做到这点,结果清晰且振奋。

Tech Briefs:后续工作计划?

Xu:有几个方向。首先、也是我最爱:尝试其他元素。结果提示离子半径是关键因素。若真如此,银之特殊不因其是银,因其“大”。更便宜的大离子元素也可能奏效。如钠、钾、铜。事实上铜已有极有希望的初步结果。

复合材料

  1. 物理气相沉积 (PVD) 技术深度解析:原理、四大工艺路线、优劣势与工程应用
  2. 碳纤维丝制造工艺与核心优势全解析
  3. MG18 硬质合金 —— 亚微米晶粒,超高硬度耐磨材料
  4. SupremEX® 225XE 锻造板材 —— 高强度 AA2124 铝基复合材料 (T6PGQ)
  5. 高纯化学级钇稳定氧化锆 (GNP8Y)——卓越强度与稳定性
  6. NP318 酚醛板 – 高性能后成型帆布材料
  7. 医用级塑料全景指南:七大核心热塑性材料与合规应用
  8. 高性能环氧树脂 RM326 棒材 – 耐用、高强度、精密成型
  9. Denal® 920 159 20 — 面向高性能应用的优质钨重合金
  10. 用虚拟化生产削减碳排放
  11. 扫描电子显微镜(SEM):以先进成像揭示材料缺陷
  12. 革新玻璃制造:激光体积增材制造实现二氧化硅玻璃精密3D打印