固態電池锂枝晶解決的理論方法
全固態電池研究過程中遇到的第一個難題就是锂枝晶問題,锂枝晶的形成對于所有的锂電池而言,都是不得不面對的問題。其生成原理是锂離子在負極與電解液中的不均勻沈積,所形成的樹杈狀的锂離子結晶體,這些結晶體在放電倍率超過電池设计上限以及长期的充放电循环中均有可能出现。而锂枝晶一旦出现,则意味着電池内部的锂离子出现了不可逆的减少,同时锂枝晶会不断吸附游离的锂离子实现生长,最终可能会刺破隔膜,导致電池正负极直接产生接触引发短路。
面對這一難題,有廠家提出了解決的理論方法:
1、銀碳複合材料層
在硫化物固態電解質與負極材料之間,添加了一層銀碳複合材料層。
其充電過程中的工作原理,是在锂離子通過電解質抵達負極最終沈積的過程中,使锂離子與銀碳材料層中間的銀離子實現結合,降低锂離子的成核能(可簡單理解爲聚集在一起的能力),從而使锂離子均勻地沈積在負極材料上。
2、SUS集電器負極
银碳复合材料层很大程度上解决了锂离子不均匀沉积的问题,但为了尽可能减少锂枝晶的形成,还需要对電池中过量的锂进行削减。
是因为被盛传适合作为高能量密度(3,860mAhg1)负极材料的金属锂,在固态電池中并不适用。过量的锂在高电压的作用下很可能会自发聚集,形成锂枝晶。
因此,在全固态電池解决方案中使用不含锂的不锈钢(SUS)集电器作为负极,作为锂离子的沉积载体和電池的结构体,SUS材料的机械强度十分可靠。并且由于负极材料不含锂,也能够抑制锂枝晶的形成。
3、輝石型硫化物固態電解質
锂枝晶形成的另一處位置是電解質,由于傳統電解質锂離子遷移數通常爲0.5,過量放電造成的大量锂離子遷移會使锂離子沈積在離子通道內,在長期的循環中有可能形成锂枝晶。
在全固态電池解决方案中使用锂离子迁移数为1的辉石型硫化物固态电解质,其锂离子迁移数较一般电解质更大,不容易使锂离子沉积其中,因此也能够抑制锂枝晶的形成。
据相关媒体报道,通过上述的固态電池锂枝晶解决理论方法,有效避免了锂枝晶的形成,在其数千次的循环试验中,采用这一方案的固态電池没有形成锂枝晶。
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