电池

Aenert. Research Laboratory news
如今，许多主要参与者以及初创企业都积极参与电动汽车行业，并竞相开发更安全、更高效的电池。最近受到越来越多关注的一种电池是固态电池。与锂离子电池不同，它们使用固体电解质，这样就可以省去用于保持正极和负极分开的隔膜组件。
固态电池被视为锂离子电池更安全的替代品，因为它们不需要传统锂离子电池所需的易燃液体电解质。这大大降低了火灾风险。此外，它们比传统电池更轻，充电时间更短，有望让电动汽车行驶更远的距离。然而，虽然固态电池在性能方面已被证明是一种有前途的候选者，但它们的使用寿命可能比传统电池短，因为它们最终可能会形成裂纹并需要更换。

为了解决这个问题，阿贡国家实验室的科学家现已（ 2023）启动了一项研究，重点关注一组称为银银矿的电解质，这是一类含有硫的固态电解质。与其他固态电解质相比，银铜矿具有多种优势。它们具有较高的离子电导率，可以通过电池快速传输离子。反过来，这可以提高电动汽车的充电速度。银铜矿也更容易、更便宜地加工成电池中使用的颗粒。

然而，银银矿很难制造。它们与空气发生高度反应，因此在电池生产工厂中处理它们可能很困难。此外，它们很容易与其他电极材料（例如锂）发生反应。当这些反应发生时，它们会产生降低电解质/电极界面质量的化学物质。这些反应还会抑制锂离子的运动，降低电池性能并产生枝晶、针状锂结构，从而降低电池的安全性和使用寿命。

因此，研究人员希望开发一种新方法，能够精确设计银辉石表面的化学成分。他们选择了芯片生产行业常用的原子层沉积工艺，并对其进行了调整以适应他们的目的。这种涂层方法使用化学蒸气与固体材料表面反应形成薄膜。

通过原子层沉积，银汞矿电解质以粉末形式涂覆。将粉末加热并暴露于水蒸气和三甲基铝中，在所有单独的电解质颗粒上产生一层薄薄的氧化铝（氧化铝）涂层。此外，还采用了一种称为 X 射线吸收光谱的表征技术，以确保涂层不会破坏底层银辉石的化学结构。这涉及用同步加速器 X 射线束照射材料并测量 X 射线在材料中的透射和吸收。

此外，研究人员使用两种技术来确定涂层是否能很好地适应单个电解质颗粒的轮廓。第一种技术称为扫描透射电子显微镜，使用聚焦电子束创建材料结构的图像。

第二种技术称为能量色散 X 射线光谱，通过检测扫描透射电子显微镜技术中使用的电子发射的 X 射线来评估材料中的元素。研究人员还发现，涂层显着降低了粉末与空气的反应性。

下一步，研究人员将涂层粉末压制成颗粒，并将颗粒安装在实验室规模的电池中，电池的阳极（负极）由锂金属制成。他们反复对这种电池以及另一种由未涂覆电解质制成的电池进行充电和放电，比较它们的性能。

多年来，科学家们一直试图提高固态电池的效率，使其在全球市场上具有竞争力。2023 年，科学家们试图寻找通过固体电解质改善锂离子传输途径的方法。他们利用最丰富的稳定锂同位素之一 ⁶Li 的中子衰减系数明显较高的优势，并在特制的全固态锂硫电池上进行了中子成像。通过在阳极中使用较高的 ⁶Li 含量并在固体电解质隔膜和阴极中使用天然锂，增强了对比度，这有助于在初始放电期间辨别哪些移动锂离子从阳极扩散到电池中，哪些移动锂离子从阳极扩散到电池中。最初包含在固体电解质中。由于中子对不同的锂同位素敏感，操作中子射线照相术揭示了锂离子在电池中的扩散情况，而原位中子断层扫描能够显示电池内捕获的锂离子在充电和放电状态下的分布。

Image: a) Representation of the cell setup for neutron imaging, with cell composition displayed in the expanded regions. b) Radiography images showing neutron attenuation for a cell where the Li–In anode is enriched with ⁶Li (top) and one where all Li is the naturally occurring isotopic mix (bottom). The images are displayed within the same contrast range and show a cell in the pristine state. c) Plots displaying the cross‐section of the median neutron attenuation (Σmedian) across the images displayed in (b)

Source: Robert Bradbury, Nikolay Kardjilov, Georg F. Dewald, Alessandro Tengattini/ Visualizing Lithium Ion Transport in Solid‐State Li–S Batteries Using Li Contrast Enhanced Neutron Imaging/ Advanced Functional Materials 33(38), June 2023/ DOI:10.1002/adfm.202302619/ Open Access This is an Open Access article is distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0)

同样在2023 年，科学家们利用大规模分子动力学模拟来研究和揭示固体界面处锂结晶的原子路径和能垒。研究发现，锂结晶采取由具有无序和随机密堆积构型的界面锂原子介导的多步途径作为中间步骤，这导致了结晶的能垒。这使得奥斯特瓦尔德步骤规则的适用性，即多晶型结构的形成，扩展到界面原子态，并通过界面工程促进有利的界面原子态作为中间步骤，从而实现低势垒结晶的合理策略。

Image: A schematic of multiple-step pathways of Li crystallization The Li⁺ (orange, anion shown in red) in solid electrolytes (SE) goes through disordered-Li (cyan) and/or rHCP (random hexagonal close-packed)-Li (green) in the interfacial Li layer at the SE interface, and transforms into the crystalline BCC (body-centered cubic)-Li metal (blue)

Source: Menghao Yang, Yunsheng Liu, Yifei Mo/ Lithium crystallization at solid interfaces/ Nature Communications 14(1), May 2023/ DOI:10.1038/s41467-023-38757-2/ Open Access This is an Open Access article is distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0)

在固态电池中涂覆电解质有几个优点：研究小组发现，它显着降低了电解质与锂阳极的反应性。它还降低了电子从电解质中泄漏的速率。这很重要，因为泄漏电子被认为会导致形成枝晶的反应。总之，涂层的优点可以显着增加固态电池在性能开始下降之前的充电和放电次数。科学家们认为，涂层使电解质能够更好地与阳极接触。他们还观察到涂层的一个意想不到的好处：它可以使电解质的离子电导率加倍。

该研究的成功完成，对于推动固态电池技术做出了巨大贡献。该涂层技术可与不同的电解质和涂层一起使用，从而可以产生各种不同的固态电池类型。

编委会