中國(guó)粉體網(wǎng)訊  如果我們對(duì)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(huì)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Stephen Hackney教授和助理教授Erik Herbert正在致力于研究納米級(jí)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(yǔ)說：“在學(xué)習(xí)跑之前，你必須先學(xué)會(huì)走路。”盡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(shí)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(chǔ)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Galaxy 7手機(jī)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(huì)增加電池的能量，同時(shí)還能降低電池火 災(zāi)的發(fā)生。 

 基本上，科研人員的目標(biāo)是設(shè)計(jì)不會(huì)發(fā)生爆 炸的下一代固態(tài)電池。所以我們要對(duì)鋰金屬進(jìn)行充分的了解。 

Herbert補(bǔ)充說：“很少有研究團(tuán)隊(duì)會(huì)對(duì)理解機(jī)械元件感興趣。但是，我們發(fā)現(xiàn)鋰本身的機(jī)械性能可能是解決這個(gè)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(huì)和劍橋大學(xué)出版社合作出版的“Journal of Materials Research”上發(fā)表的三篇系列文章中，對(duì)鋰進(jìn)行了深入的了解，科研上做出了巨大貢獻(xiàn)。該團(tuán)隊(duì)包括材料科學(xué)與工程教授Herbert和Stephen Hackney，以及密歇根理工大學(xué)的研究生Violet Thole，橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Nancy Dudney和粉末冶金與新材料國(guó)際先進(jìn)研究中心的Sudharshan Phani。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(jī)械行為的重要性。  

鋰枝晶會(huì)破壞電池性能  

鋰是一種非常活潑的金屬，因此容易受到不良行為的影響。但它也非常擅長(zhǎng)儲(chǔ)存能量。人們希望他們的手機(jī)、平板電腦以及其他電子產(chǎn)品可以進(jìn)行快速充電，并且待機(jī)時(shí)間長(zhǎng)。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�？�，盡可能快地在陰極和陽(yáng)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(huì)不可避免地發(fā)生壓力的增長(zhǎng)，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(yáng)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(jìn)入并最終穿過物理上分隔陽(yáng)極和陰極的固體電解質(zhì)層。一旦枝晶進(jìn)入陰極，器件就會(huì)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(zhǎng)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(fèi)解的屬性。該團(tuán)隊(duì)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(duì)壓力作出反應(yīng)的。他們的研究結(jié)果證實(shí)了今年早些時(shí)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(qiáng)度。  

Herbert 和Hackney在該研究的基礎(chǔ)上提供了對(duì)于鋰強(qiáng)度非常高的首次機(jī)械解釋。   

為了減輕壓頭尖端施加的壓力，鋰能夠擴(kuò)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(yáng)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(cè)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(shí)驗(yàn)證據(jù)，說明鋰在小于500nm的長(zhǎng)度范圍內(nèi)，可能具有更高的能力將機(jī)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(zhǎng)度范圍內(nèi)的超高強(qiáng)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(kuò)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(kuò)散中介導(dǎo)流動(dòng)的機(jī)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(kuò)散到位錯(cuò)介導(dǎo)流動(dòng)的過渡機(jī)理合理化”中，作者提供了一個(gè)統(tǒng)計(jì)模型，解釋了鋰在何種條件下經(jīng)歷了突變，從而進(jìn)一步減輕了壓力。他們還提供了一個(gè)模型，直接將鋰的機(jī)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(zhǎng)尺度上減輕壓力的機(jī)制，而這種壓力與界面缺陷是相稱的。增強(qiáng)人們對(duì)這一重要問題的理解，將直接促進(jìn)人們開發(fā)出穩(wěn)定的界面，有利于開發(fā)出具有安全，長(zhǎng)期和高速率的循環(huán)性能的電池。  

Herbert補(bǔ)充說：“我希望我們的工作對(duì)人們?cè)噲D開發(fā)下一代存儲(chǔ)設(shè)備的方向產(chǎn)生重大影響�！�

（粉體網(wǎng)編輯整理/土豆兒）