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利用原位透射電鏡技術(shù)觀察固態(tài)電池中鋰枝晶刺穿固態(tài)電解質(zhì)和死鋰的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)過(guò)程

日期:2021-09-16

鋰枝晶生長(zhǎng)一直以來(lái)是影響基于液態(tài)電解質(zhì)的鋰離子電池的安全性的重大難題。理論上固態(tài)鋰金屬電池使用陶瓷材料作為固態(tài)電解質(zhì)(SSE)能有效地YI制鋰枝晶的生長(zhǎng),使用鋰金屬作為負(fù)極的電池具有更高的能量密度。但是,阻礙固體態(tài)電池遲遲不能大規(guī)模應(yīng)用的一個(gè)主要原因是:與液態(tài)電解質(zhì)的電池相比,固態(tài)電解質(zhì)的電導(dǎo)率以及內(nèi)部存在的孔洞、晶界、微小裂紋等缺陷致使高電流密度下鋰枝晶似乎更容易在固態(tài)電解質(zhì)中形成,并刺穿固態(tài)電解質(zhì),繼而誘發(fā)電池內(nèi)部短路發(fā)生火災(zāi)。基于上述問(wèn)題,研究人員利用各式各樣的表征手段來(lái)研究鋰枝晶在固態(tài)電池中的生長(zhǎng)以及破壞性行為的內(nèi)在機(jī)理,截止目前,其中機(jī)理仍然是模棱兩可。

近日,澤攸科技助力燕山大學(xué)張利強(qiáng)教授、唐永福教授、黃建宇教授團(tuán)隊(duì)利用原位電鏡技術(shù)的高分辨率和原位實(shí)時(shí)優(yōu)勢(shì),觀察、研究了微電池中鋰枝晶穿透LLZTO(Li6.4La3Zr1.4Ta0.6O12)固態(tài)電解質(zhì)的動(dòng)態(tài)過(guò)程,證明了電化學(xué)機(jī)械應(yīng)力足以驅(qū)使鋰枝晶較快生長(zhǎng),致使固態(tài)電解質(zhì)破裂并刺穿固態(tài)電解質(zhì)。同時(shí),他們發(fā)現(xiàn)在每個(gè)嵌鋰循環(huán)過(guò)程中都會(huì)產(chǎn)生新的鋰形核位點(diǎn),并在隨后的脫鋰循環(huán)中形成新的”死鋰“;,從而闡述了固態(tài)鋰金屬電池中主要的庫(kù)倫效率衰減機(jī)制。基于以上研究結(jié)果,他們提出通過(guò)降低固態(tài)電解質(zhì)中裂紋尺寸以及電子電導(dǎo)率來(lái)提升固態(tài)鋰金屬電池性能的電池改進(jìn)思路。相關(guān)研究成果以”In Situ Visualization of Lithium Penetration through Solid Electrolyte and Dead Lithium Dynamics in Solid-Stat Lithium Metal Batteries“為題發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊ACS Nano上。燕山大學(xué)材料學(xué)院孫海明博士為本文D一作者。 
原文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.1c04864


利用原位透射電鏡樣品桿觀察
原位STM結(jié)合AFM 研究Li枝晶在CO2環(huán)境大氣中穿透LLZTO的動(dòng)力學(xué)行為

利用原位透射電鏡樣品桿觀察電池循環(huán)過(guò)程中鋰枝晶刺穿固態(tài)電解質(zhì)示意圖
電池循環(huán)過(guò)程中鋰枝晶刺穿固態(tài)電解質(zhì)示意圖

 

研究發(fā)現(xiàn),金屬鋰在固態(tài)電解質(zhì)表面和內(nèi)部孔洞、晶界等缺陷位點(diǎn)沉積,當(dāng)固態(tài)電解質(zhì)中的鋰達(dá)到飽和之后,電化學(xué)驅(qū)動(dòng)的金屬鋰沉積產(chǎn)生的很大應(yīng)力致使固態(tài)電解質(zhì)中產(chǎn)生裂紋,導(dǎo)致鋰枝晶穿透固態(tài)電解質(zhì),枝晶刺穿的過(guò)程中能帶出固態(tài)電解質(zhì)的碎片,使固態(tài)電解質(zhì)遭到嚴(yán)重破壞。脫鋰過(guò)程中,鋰持續(xù)剝離,不能分解的碳酸鋰殼(稱為"死鋰")殘余。此外研究人員還發(fā)現(xiàn),每個(gè)循環(huán)過(guò)程中在不同位點(diǎn)生長(zhǎng)的新枝晶是"死鋰"形成的重要機(jī)制。導(dǎo)致庫(kù)倫效率的下降電池的失效。

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原位透射電鏡樣品觀察



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原位透射電鏡

作者:澤攸科技


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