研究定义了抑制全固态LiB中锂枝晶的关键参数

发布时间：2023-04-07 20:12:08 栏目：生活

导读 全固态锂电池(ASSLiBs)，即具有固体电解质的锂电池，是非常有前途的电池解决方案，因为它们通常比基于液体电解质的电池更稳定并且具有更高

全固态锂电池(ASSLiBs)，即具有固体电解质的锂电池，是非常有前途的电池解决方案，因为它们通常比基于液体电解质的电池更稳定并且具有更高的容量。然而，锂在这些电池内的沉积有时会导致形成所谓的锂枝晶(即具有树状结构的晶体)，这可能导致电池短路。



为了评估ASSLiB抑制锂枝晶形成的能力，大多数电池开发人员目前正在测量其临界电流密度(CCD)，该参数估计Li/Li对称电池在Li枝晶穿透SSE并导致短路之前可以承受的最高电流密度。然而，在最近发表在Nature Energy上的一篇论文中，由化学与生物分子工程系(CHBE)的Robert Franklin和Frances Riggs Wright杰出主席Chunsheng Wang领导的研究小组以及马里兰大学极端电池研究中心UMD主任确定了另一个更适合评估ASSLiB的锂枝晶抑制能力的参数。

“我们之前发现，当降低Li||锂电池，CCD增加，但电压降前的过电位没有显着变化，这导致我们认为应该是过电位，而不是CCD，决定了固态电解质(SSE)的锂树突抑制能力，“进行这项研究的研究人员之一万红利告诉Tech Xplore。“由于大多数SSE对锂金属不稳定，因此在Li/SSE界面处会形成固体电解质界面(SEI)。

Wang和他的同事发现，当ASSLiB中的Li电镀发生在低施加的相间过电位(AIOP)下时，镀Li沿着Li/SEI界面扩散并保持平面生长。然而，当AIOP高于临界相间过电位(CIOP)时，Li开始穿透SEI，形成不需要的树突。

“在进一步增加施加的过电位以增加CCD的电流密度时，锂枝晶通过SSE生长，使电池短路，”Wan解释说。“因此，CIOP是Li开始穿透中间阶段的关键过电位。

与CCD不同，CCD根据集成在电池单元中的SSE的特性和其他工程参数而变化，CIOP是SEI的固有属性。这个关键参数与电解质和界面的疏锂性(即其固有的排斥锂的能力)和机械性能直接相关。

这意味着它可以更可靠地指示固体电解质在多大容量ASSLiB中设计。此外，它可以指导电池内部相间的设计，使研究人员能够比较不同相间的锂枝晶抑制能力。

“为了实现具有高能量密度的无锂枝晶全固态锂金属电池(ASSLB)，SEI应具有高CIOP(因此具有高疏锂性和高机械强度)以抑制锂枝晶渗透和低AIOP(需要低SEI电阻和低界面电阻)，”万说。“我们提出的混合导电李2NH–Mg中间膜由于原位形成Li，可以满足这一要求6附言5氯化钾/锂镁x/李3N-LiH/LiMgLa来自Li6附言5氯/锂2NH–Mg/Li–1.0 wt%La在退火和循环后。

使用CIOP作为指导参数，Wang和他的同事创建了一个带有LiMgS的ASSLB设计x他们期望的相间将有助于抑制锂枝晶的形成。他们发现，这种间相将CIOP从约10 mV(相对于Li的SEI)增加6附言5Cl)至约220 mV，而LiMgLa表面上的Li板可逆地渗透到多孔LiH-Li中3N，减少 AIOP。

这组研究人员最近的工作证明了CIOP参数在评估固态界面抑制锂枝晶形成的能力方面的价值。未来，新确定的参数可以被全球其他团队用于为ASSLiB和其他固态金属电池设计更理想的相间，从而可能提高其性能和容量。

“我们提出了一个相间设计标准(AIOP / CIOP ˂ 1)，可以使电池实现无锂枝晶，”Wan补充道。“但是，我们尚未完全解决如何确保AIOP不会超过CIOP。AIOP受界面的电子和离子电导率、Li阳极中的Li扩散率和Li/SSE界面处空隙形成的影响。我们正在系统地调查这些因素对AIOP的影响。