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(shuō)是人們不可或缺的日常用品之一。不過(guò)，被譽(yù)為革命性的、更安全的“全固態(tài)電池”面臨一個(gè)致命難題——固態(tài)電解質(zhì)會(huì)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(guó)科學(xué)院金屬研究所獲悉，該所沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家研究中心王春陽(yáng)研究員領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際合作團(tuán)隊(duì)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(wú)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(dòng)力學(xué)。
這項(xiàng)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(guó)際專(zhuān)業(yè)學(xué)術(shù)期刊《美國(guó)化學(xué)會(huì)會(huì)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(yáng)研究員介紹說(shuō)，手機(jī)、電動(dòng)汽車(chē)都依賴(lài)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(shí)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(huì)突然短路失效的難題一直未能破解。
在本項(xiàng)研究中，合作團(tuán)隊(duì)通過(guò)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(guò)程分為軟短路和硬短路兩個(gè)階段。
軟短路源于納米尺度上鋰金屬的析出與瞬時(shí)互連，這時(shí)的鋰金屬就像樹(shù)根一樣沿著晶界、孔洞等缺陷生長(zhǎng)，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(guò)的智能開(kāi)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(yáng)指出，在此過(guò)程中，固態(tài)電池內(nèi)部的微小裂縫處，納米級(jí)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(shí)漏電(軟短路)徹底崩潰為永久短路(硬短路)。針對(duì)多種無(wú)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(wú)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(duì)利用三維電子絕緣且機(jī)械彈性的聚合物網(wǎng)絡(luò)，開(kāi)發(fā)出無(wú)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(guò)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(dòng)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(kāi)發(fā)提供理論依據(jù)?！巴瑫r(shí)，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(wèn)題方面扮演的重要角色?！蓖醮宏?yáng)說(shuō)。(完)
編輯：金艷
責(zé)任編輯：余鳳
編審：喻佳
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