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利用原位透射电镜技术观察固态电池中锂枝晶刺穿固态电解质和死锂的生长动力学过程

日期:2021-09-16

锂枝晶生长一直以来是影响基于液态电解质的锂离子电池的安全性的重大难题。理论上固态锂金属电池使用陶瓷材料作为固态电解质(SSE)能有效地抑制锂枝晶的生长,使用锂金属作为负极的电池具有更高的能量密度。但是,阻碍固体态电池迟迟不能大规模应用的一个主要原因是:与液态电解质的电池相比,固态电解质的电导率以及内部存在的孔洞、晶界、微小裂纹等缺陷致使高电流密度下锂枝晶似乎更容易在固态电解质中形成,并刺穿固态电解质,继而诱发电池内部短路发生火灾。基于上述问题,研究人员利用各式各样的表征手段来研究锂枝晶在固态电池中的生长以及破坏性行为的内在机理,截止目前,其中机理仍然是模棱两可。

近日,泽攸科技助力燕山大学张利强教授、唐永福教授、黄建宇教授团队利用原位电镜技术的高分辨率和原位实时优势,观察、研究了微电池中锂枝晶穿透LLZTO(Li6.4La3Zr1.4Ta0.6O12)固态电解质的动态过程,证明了电化学机械应力足以驱使锂枝晶较快生长,致使固态电解质破裂并刺穿固态电解质。同时,他们发现在每个嵌锂循环过程中都会产生新的锂形核位点,并在随后的脱锂循环中形成新的”死锂“;,从而阐述了固态锂金属电池中主要的库伦效率衰减机制。基于以上研究结果,他们提出通过降低固态电解质中裂纹尺寸以及电子电导率来提升固态锂金属电池性能的电池改进思路。相关研究成果以”In Situ Visualization of Lithium Penetration through Solid Electrolyte and Dead Lithium Dynamics in Solid-Stat Lithium Metal Batteries“为题发表在国际学术期刊ACS Nano上。燕山大学材料学院孙海明博士为本文第一作者。 
原文链接:https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.1c04864


利用原位透射电镜样品杆观察
原位STM结合AFM 研究Li枝晶在CO2环境大气中穿透LLZTO的动力学行为

利用原位透射电镜样品杆观察电池循环过程中锂枝晶刺穿固态电解质示意图
电池循环过程中锂枝晶刺穿固态电解质示意图

 

研究发现,金属锂在固态电解质表面和内部孔洞、晶界等缺陷位点沉积,当固态电解质中的锂达到饱和之后,电化学驱动的金属锂沉积产生的极大应力致使固态电解质中产生裂纹,最终导致锂枝晶穿透固态电解质,枝晶刺穿的过程中能带出固态电解质的碎片,使固态电解质遭到严重破坏。脱锂过程中,锂持续剥离,不能分解的碳酸锂壳(称为"死锂")最终残余。此外研究人员还发现,每个循环过程中在不同位点生长的新枝晶是"死锂"形成的重要机制。最终导致库伦效率的下降电池的失效。

以上就是泽攸科技介绍的利用原位透射电镜技术观察固态电池中锂枝晶刺穿固态电解质和死锂的生长动力学过程,想要了解更多请咨询18817557412(微信同号)

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作者:泽攸科技