鉅大LARGE | 點擊量：2803次 | 2018年11月15日
鋰金屬的性能機理介紹
如果我們對于鋰在電池充電和放電過程中產(chǎn)生的壓力的響應(yīng)有充分的了解，會有助于我們生產(chǎn)高安全，高效率的電池。
材料科學(xué)與工程系StephenHackney教授和助理教授ErikHerbert正在致力于研究納米級鋰的性質(zhì)，以了解鋰金屬在壓力下是如何反應(yīng)的，并著眼于改善固態(tài)電池。
有一句古老的諺語說：“在學(xué)習(xí)跑之前，你必須先學(xué)會走路?！北M管有先人這樣的智慧指導(dǎo)，但是目前仍然有許多行業(yè)忽視了扎實基礎(chǔ)，而是直接采取了馬拉松賽式發(fā)展方式，這些行業(yè)就包括電池行業(yè)。
鋰離子電池具有更好的儲能特性，但是，它們是不穩(wěn)定的。有關(guān)鋰離子電池安全的消息：特別是三星Galaxy7手機電池事故，眾所周知。
電池安全的大部分問題源自電池內(nèi)部使用的易燃液體電解質(zhì)。改善這一問題的一種方法是：選用不可燃的固體電解質(zhì)和鋰金屬電極。這不僅會增加電池的能量，同時還能降低電池火災(zāi)的發(fā)生。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
基本上，科研人員的目標(biāo)是設(shè)計不會發(fā)生爆炸的下一代固態(tài)電池。所以我們要對鋰金屬進行充分的了解。
Herbert補充說：“很少有研究團隊會對理解機械元件感興趣。但是，我們發(fā)現(xiàn)鋰本身的機械性能可能是解決這個難題的關(guān)鍵部分。“
密歇根理工大學(xué)的科學(xué)家在材料研究學(xué)會和劍橋大學(xué)出版社合作出版的“JournalofMaterialsResearch”上發(fā)表的三篇系列文章中，對鋰進行了深入的了解，科研上做出了巨大貢獻。該團隊包括材料科學(xué)與工程教授Herbert和StephenHackney，以及密歇根理工大學(xué)的研究生VioletThole，橡樹嶺國家實驗室的NancyDudney和粉末冶金與新材料國際先進研究中心的SudharshanPhani。他們科研的結(jié)果突出解釋了鋰在操縱下一代電池性能和安全性方面的機械行為的重要性。
鋰枝晶會破壞電池性能
鋰是一種非?；顫姷慕饘?，因此容易受到不良行為的影響。但它也非常擅長儲存能量。人們希望他們的手機、平板電腦以及其他電子產(chǎn)品可以進行快速充電，并且待機時間長。如此一來，電池制造商就面臨著兩大挑戰(zhàn)：一方面要使電池充電速度非?？欤M可能快地在陰極和陽極之間傳遞電荷；另一方面又要保證在反復(fù)充電的情況下，電池的使用壽命以及安全可靠性。
鋰是一種非常軟的金屬，但在電池操作中，它的作用并不像預(yù)期的那樣。在電池充電和放電過程中會不可避免地發(fā)生壓力的增長，導(dǎo)致樹突狀的鋰的微指狀物在固體電解質(zhì)隔膜和鋰陽極之間的界面處填充預(yù)先存在且不可避免的微觀缺陷：孔、凹槽和劃痕等。
在連續(xù)循環(huán)過程中，這些樹枝狀晶體可以進入并最終穿過物理上分隔陽極和陰極的固體電解質(zhì)層。一旦枝晶進入陰極，器件就會發(fā)生短路并發(fā)生故障，這種故障通常是災(zāi)難性的。
Herbert和Hackney的研究主要集中在鋰是如何緩解固態(tài)電池充電和放電過程中自然形成的壓力。
他們的研究記錄了鋰在亞微米長度范圍內(nèi)的非凡行為，這是深入研究鋰的最小和最令人費解的屬性。該團隊通過用金剛石探針刻蝕鋰膜使金屬變形來檢查金屬是如何對壓力作出反應(yīng)的。他們的研究結(jié)果證實了今年早些時候加州理工學(xué)院科學(xué)家發(fā)表的文章：關(guān)于小尺度鋰的高強度。
Herbert和Hackney在該研究的基礎(chǔ)上提供了對于鋰強度非常高的首次機械解釋。
為了減輕壓頭尖端施加的壓力，鋰能夠擴散或重新排列其自身的離子或原子，這向科學(xué)家展示了鋰變形速度（這與鋰離子電池的充放電速度有關(guān)）的重要性，以及包括陽極在內(nèi)的鋰離子排列中的缺陷和偏差的影響。
深入了解鋰的行為
在“高純度氣相沉積鋰膜的納米壓痕：彈性模量”一文中，科學(xué)家們測量了鋰的彈性性質(zhì)，以反映鋰離子的物理取向的變化。這些結(jié)果突出表明，需要將鋰取向相關(guān)的彈性特性納入所有未來的模擬工作中。Herbert和Hackney還提供了實驗證據(jù)，說明鋰在小于500nm的長度范圍內(nèi)，可能具有更高的能力將機械能轉(zhuǎn)化為熱能。
在隨后的文章中，Herbert和Hackney記錄了鋰在小于500nm的長度范圍內(nèi)的超高強度，并給出了它們最初的輪廓。其目的是描述鋰的壓力管理能力是如何受擴散和材料變形速度所控制的。這篇文章是：“高純度氣相沉積鋰膜的納米壓痕：擴散中介導(dǎo)流動的機理合理化”。
最后，在文章“高純度氣相沉積鋰膜的納米壓痕：從擴散到位錯介導(dǎo)流動的過渡機理合理化”中，作者提供了一個統(tǒng)計模型，解釋了鋰在何種條件下經(jīng)歷了突變，從而進一步減輕了壓力。他們還提供了一個模型，直接將鋰的機械行為和電池的性能連接在了一起。
Herbert說：“我們正試圖理解鋰在長尺度上減輕壓力的機制，而這種壓力與界面缺陷是相稱的。增強人們對這一重要問題的理解，將直接促進人們開發(fā)出穩(wěn)定的界面，有利于開發(fā)出具有安全，長期和高速率的循環(huán)性能的電池。
Herbert補充說：“我希望我們的工作對人們試圖開發(fā)下一代存儲設(shè)備的方向產(chǎn)生重大影響。”
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