缺陷危险区域:为锂金属,更小的是强

佳佳厂,密歇根理工大学新闻

历史上,如在八月十年来,可再充电锂金属电池是危险的。这些电池在代表不含有金属锂,并且现在广泛用于锂离子电池很快废弃。在努力,不断推高能源密度和成本下降,我们再次探讨如何高效,安全地使用锂金属电池中。固态电池,游离的易燃液体,可以是溶液。  然而,进度已经放慢由于锂金属还发现一种方法来短路电池的寿命和限制周期。

固态锂电池能量储存器的圣杯。与一切从移动设备行业的人员可再生能源的潜在影响,困难是克服价值。我们的目标:建立一个安全和长寿命的锂电池。挑战:使用固态电解质和从锂枝晶的形成和生长停止短路。

在受邀在材料研究的新论文发表功能,从密歇根理工大学材料工程师在权衡上的问题。他们采取的是一个不寻常的。他们专注于锂在尺寸独特的机制是头发的你的头直径的一小部分 - 小得多的规模比大多数人考虑的问题。

“人们认为锂软如黄油是,它这样怎么可能有实力通过陶瓷电解质隔膜渗透?”问埃里克·赫伯特,在密歇根理工大学材料科学与工程学院的助理教授和研究的线索之一。我认为答案是不直观 - 小强。像小的微裂纹,孔隙或表面粗糙度在界面处的物理缺陷的锂阳极和固体电解质隔膜之间不可避免地存在着。在锂金属在长度尺度上的力学变焦相称的那些微小的缺陷界面,它结果即强得多除锂是在宏观长度尺度或本体。

“锂不喜欢任何的压力比你或我喜欢压力,所以它只是试图找出如何让压力消失,”赫伯特说。 “我们要说的是,在小的长度尺度,其中锂是不太可能访问它可以缓解压力使用标准的机制,必须依靠其他较有效的方法,以突出的压力。”

在像锂每结晶金属,原子称为水平位错缺陷需要缓解应力的量显著。在宏观的长度尺度或散装,因为它们允许相邻的过去相互滑动轻松像一副扑克牌原子的计划,摆脱压力位错的高效。然而,在相对于金属的熔点小的长度尺度和高温,发现位错内应力体积的几率是很低的。在这些条件下,金属必须找到另一种方式来缓解压力。对于锂,这意味着切换到扩散。应力推动选自原子锂离应力体积 - 类似于被带走在原子机场走道。相比位错运动,扩散是非常低效的。这意味着在小的长度尺度,其中扩散控制应力消除,而不是位错运动,可以支持多于锂的100倍以上的压力或压力比它可以在宏观长度尺度。

在灾难性的问题是什么赫伯特和他的共同领导,MTU教授斯蒂芬·哈克尼,请拨打缺陷危险区域发生。的区域是由所述应力消除扩散和错位竞争运动之间限定的物理缺陷尺寸的窗口。在最坏的情况下接口是物理缺陷(微裂,孔隙或表面粗糙度)即太大通过扩散效率的应力释放,但太小通过位错运动,以使应力释放。在这种反向金发问题,高应力可能导致在锂固体电解质和整个电池突然失效。有趣的是,危险区域大小是相同的观察到的大小锂树突。

“电解质非常薄的固态和高电流密度要求提供电池电量和短的充电时间由消费者预期的热处理条件是请锂枝晶故障,因此在枝晶问题必须解决进步的技术,”哈克尼说。 “但是,为了使固态技术上是可行的,功率容量和循环寿命限制必须解决的问题。当然,在解决问题的第一步是根本原因明白了,这就是我们正在努力做这个目前的工作“。

哈克尼点出了小强这并不是一个新概念。对力学行为研究了材料工程师长度规模效应自1950年代以来,尽管它并没有被广泛的锂枝晶用来考虑问题和固体电解质。

“我们认为这小强”的模式是直接适用于观察锂枝晶大小,并通过我们的实验证实,在应变率相关的枝蔓不稳定的启动非常干净,厚李薄膜在充电过程中,“哈克尼说。

他们的假设严格地检查,赫伯特和哈克尼执行以高纯度锂膜纳米压痕实验由即电池顶部研究者产生,橡树岭国家实验室的Nancy Dudney。

“锂金属的堆积性能良好表征,但是这可能不是在相关的缺陷和不均匀的电流分布的尺度在非常薄的可能作用固态电池,” Dudney说。 “本文提出的模型是第一个映射强得多条件凡锂cyclelife会影响性能。  这将引导固体电解质和电池设计未来的调查。“

在球队的下一步,检查计划,他们在小长度尺度效应的温度和电化学循环锂的机械行为。这将帮助他们更好地了解真实世界的条件和策略,使下一代电池免疫锂枝晶的形成和生长。