中新網(wǎng)北京5月21日電 (記者 孫自法)當(dāng)今世界，各種電池可以說是人們不可或缺的日常用品之一。不過，被譽(yù)為革命性的、更安全的“全固態(tài)電池”面臨一個致命難題——固態(tài)電解質(zhì)會突然短路失效，其原因何在、有何解決之道？備受學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界關(guān)注。
記者5月21日從中國科學(xué)院金屬研究所獲悉，該所沈陽材料科學(xué)國家研究中心王春陽研究員領(lǐng)導(dǎo)的國際合作團(tuán)隊最近在這方面取得重要突破，他們利用原位透射電鏡技術(shù)，首次在納米尺度揭示出無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)中的軟短路—硬短路轉(zhuǎn)變機(jī)制及其背后的析鋰動力學(xué)。
這項找到導(dǎo)致固態(tài)電池突然短路“元兇”的重要研究成果論文，近日在國際專業(yè)學(xué)術(shù)期刊《美國化學(xué)會會刊》(Journal of the American Chemical Society)上線發(fā)表。
論文第一作者和共同通訊作者王春陽研究員介紹說，手機(jī)、電動汽車都依賴鋰電池供電，但液態(tài)鋰電池存在安全隱患，研究人員正在研發(fā)更安全的“全固態(tài)電池”，用固態(tài)電解質(zhì)取代液態(tài)電解液，同時還能搭配能量密度更高的鋰金屬負(fù)極，但固態(tài)電解質(zhì)會突然短路失效的難題一直未能破解。
在本項研究中，合作團(tuán)隊通過原位電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，固態(tài)電解質(zhì)內(nèi)部缺陷(如晶界、孔洞等)誘導(dǎo)的鋰金屬析出和互連形成的電子通路直接導(dǎo)致了固態(tài)電池的短路，這一過程分為軟短路和硬短路兩個階段。
軟短路源于納米尺度上鋰金屬的析出與瞬時互連，這時的鋰金屬就像樹根一樣沿著晶界、孔洞等缺陷生長，形成瞬間導(dǎo)電短路。隨后，伴隨著軟短路的高頻發(fā)生和短路電流增加，固態(tài)電解質(zhì)就像被“訓(xùn)練”過的智能開關(guān)，逐步形成記憶性導(dǎo)電通道，最終徹底喪失絕緣能力，引發(fā)不可逆的硬短路。
王春陽指出，在此過程中，固態(tài)電池內(nèi)部的微小裂縫處，納米級的鋰金屬像滲入金屬的水銀般“腐蝕”材料結(jié)構(gòu)，引發(fā)脆裂蔓延，使電池從暫時漏電(軟短路)徹底崩潰為永久短路(硬短路)。針對多種無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)的系統(tǒng)研究表明，這一失效機(jī)制在NASICON型和石榴石型無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)中具有普遍性。
基于這些發(fā)現(xiàn)，研究團(tuán)隊利用三維電子絕緣且機(jī)械彈性的聚合物網(wǎng)絡(luò)，開發(fā)出無機(jī)/有機(jī)復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)，可有效抑制固態(tài)電解質(zhì)內(nèi)部的鋰金屬析出、互連及其誘發(fā)的短路失效，顯著提升其電化學(xué)穩(wěn)定性。
這次研究通過闡明固態(tài)電解質(zhì)的軟短路-硬短路轉(zhuǎn)變機(jī)制及其與析鋰動力學(xué)的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，既為固態(tài)電解質(zhì)的納米尺度失效機(jī)理提供全新認(rèn)知，也為新型固態(tài)電解質(zhì)的開發(fā)提供理論依據(jù)。“同時，還凸顯出先進(jìn)透射電子顯微技術(shù)，在解決能源領(lǐng)域關(guān)鍵科學(xué)問題方面扮演的重要角色?！蓖醮宏栒f。(完)
編輯：金艷
責(zé)任編輯：余鳳
編審：喻佳
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