 如图所示：机械工程博士后研究员Nathan Taylor于2018年8月7日在密歇根大学凤凰城纪念实验室大楼检查一块锂金属。图片来源：密歇根大学 Taylor在机械工程教授Jeff Sakamoto的实验室工作。他们的团队开发了一种用LLZO作为电解质制造锂金属固态电池的工艺，该工艺可以大大改善现有锂离子电池技术的性能和容量。 密歇根大学开发的一种可充电电池技术可以使当今锂离子电池的产量翻倍，不仅可以大大延长电动汽车的使用范围以及手机之间的续航时间，而且不占用任何额外的空间。 通过使用陶瓷固态电解质，工程师可以利用锂金属电池的动力，而不会出现耐久性差和短路等常见的历史问题。该研究成果可能成为下一代可充电电池的路线图。 “这可能会改变游戏规则，即电池运行方式的转变，”领导这项工作的机械工程副教授Jeff Sakamoto说。 在20世纪80年代，使用液体电解质的可充电锂金属电池被认为是下一个重要的东西，它在早期的便携式手机市场中占据了一席之地。但是它们在充电期间的易燃倾向导致工程师们的研究方向各异。在电极之间穿梭的锂原子倾向于在电极表面上形成树突的树状细丝，最终使电池短路并点燃可燃电解质。 锂离子电池是一种更稳定但能量密度更低的技术。1991年一经推出后，迅速成为电池届的新标准。这些电池用石墨阳极代替金属锂，石墨阳极吸收锂并防止树突的形成，但是也带来了性能成本问题。 石墨每6个碳原子只能容纳一个锂离子，使其具有约350mAh / g的比容量。固态电池中的锂金属具有3800mAh / g的比容量。 目前的锂离子电池在电池水平上的总能量密度大约为600Wh / L。原则上，固态电池可以达到1200 Wh / L。 为了解决锂金属的燃烧问题，密歇根大学的工程师创造了一种能够稳定表面的陶瓷层。其可以防止枝晶形成并防止火 灾。它使电池能够利用锂金属能量密度和高导电性等优势，不会随着时间的推移而发生火 灾或降解等危险。 “我们提出的是一种不同的方法：用陶瓷在物理层面上稳定锂金属表面。”Sakamoto说。“我们在空气中使它的温度超过1800华氏度，它不可燃；而且它没有通常会引起电池起 火的燃料，即它没有液体。这使我们摆脱了燃料，也使我们摆脱了燃烧问题。” 在早期的固态电解质测试中，锂金属在低充电速率下通过陶瓷电解质生长，引起短路，非常类似于液体电池中的短路问题。 密歇根大学的研究人员通过化学和机械处理解决了这个问题，这些处理方法为锂提供了一个原始表面，使其比较平坦均匀，有效地抑制了树突或细丝的形成。Sakamoto表示，这不仅可以提高电池安全性，还可以显著提高电池的充电速率。 Sakamoto说：“到目前为止，锂电池的制造速度意味着在全功率的情况下，你需要为锂金属汽车电池充电20到50小时。“通过这一突破，我们证明了我们可以在3小时或更短的时间内为电池充满电。 与之前的固态锂金属电池报告相比，我们研发的这种电池的充电速度提高了10倍。我们现在的充电与锂离子电池相当，但还有其他优势。 充电/再充电过程不可避免地导致锂离子电池的最终死亡。在阴极和阳极之间反复交换离子会立即产生明显的降解行为。 然而，在测试陶瓷电解质时，长期循环后没有观察到明显的降解，密歇根大学的机械工程的博士后研究员Nathan Taylor说。 “我们做了22天相同的测试，”他说。“电池在开始时和测试结束时都是一样的。我们没有看到电池任何退化行为。我们还没有发现任何其他块状固态电解质在这么长时间内能表现如此良好的性能。” 块状固态电解质使电池成为现有锂离子电池的直接替代品，并可利用现有的电池制造技术。随着材料性能的验证，该研究小组已开始生产满足固态容量目标所需的薄固体电解质层。 原文来自：rdmag，原文题目：Battery Breakthrough: Doubling Performance With Lithium Metal That Doesn't Catch Fire，由材料科技在线团队翻译整理。 |
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