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银河老虎机

时间:2019-12-10 17:33:41 作者:加倍斗地主 浏览量:40964

银河老虎机

  蓄电池过度充电时,枝晶就会生长,因为当锂离子迁移到阳极时无法找到停驻空间。通常,离子会在阳极的原子层之间滑移,这种过程称为嵌入,但当两层之间的空间全部被填满时(像过度充电时就会发生这种情况),除了表面,锂离子无处可去。它们就在那里形成了金属晶体的晶种,随着每次新的充放电循环而生长。

  另一种策略是纳入可以加强SEI层的物质,重新配置电解质。它的挑战在于,此类助剂必须很容易溶解,而大多数候选材料并不具备这个特质——这也是蓄电池研究者们长期以来需要解决的问题。快速溶解的助剂在循环过程中被消耗,其结果是从长期来看SEI层将会分离。

,见下图

  当同时加入硝酸锂和多硫化物时,硝酸锂首先和金属锂发生反应,并且正如预期的那样,确实钝化了金属表面,大幅减少了金属和多硫化物的反应。来自第一反应的产物主要在SEI层的上部形成,并且它有效地抑制了枝晶的形成。

  这两种助剂一起使用,带来了巨大的改进,原因就在于对SEI层的影响。为了弄清楚这种影响的确切机制,我们使用了一种被称为X射线光电子能谱的技术,以及传统的电子显微镜,来推断SEI层的结构和化学构成。在使用其中一种助剂的电池中,我们发现,SEI层被很多裂缝和针孔损坏。然而,当两种助剂都存在时,我们得到了平整、均匀的SEI层。并且,SEI层的化学分解证实了这两种助剂确实具有竞争效应。

,见下图

  我们组装了硬币状电池,它也称为纽扣电池,和为手表、计算器以及助听器等小型电子设备供电的电池类似,我们还在充电过程中使用恒定电流,允许相同的电流在放电期间流动。我们通过给电池充电,将一层锂沉积在不锈钢上;然后在放电过程中将其剥离,将该循环重复多次。最终,我们将电池拆开,并在扫描电子显微镜下检查锂的沉积。

  减少火灾隐患,增加电池储能

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  这两种助剂一起使用,带来了巨大的改进,原因就在于对SEI层的影响。为了弄清楚这种影响的确切机制,我们使用了一种被称为X射线光电子能谱的技术,以及传统的电子显微镜,来推断SEI层的结构和化学构成。在使用其中一种助剂的电池中,我们发现,SEI层被很多裂缝和针孔损坏。然而,当两种助剂都存在时,我们得到了平整、均匀的SEI层。并且,SEI层的化学分解证实了这两种助剂确实具有竞争效应。

  锂子的形成需要发生在阳极和电解质的交汇点,所处的层被称为固体电解质膜(SEI)。有足够的锂离子进入阳极并在那里容纳电子后,阳极最终会膨胀到足以刺破SEI层。从这个时候起,锂开始在SEI被破坏的部分形成枝晶。这些沉积物形成了枝晶的晶种。

如下图

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  解决了这个问题,不仅可以保护生命财产安全,还可以使用封装更紧密、体积更大的蓄电池组。我们最终能够在这项技术所允许的范围内,充分利用巨大的能量-重量比(即比能)。此外,我们还能够在使用金属锂的下一代蓄电池方面取得进展。

,见图

银河老虎机  为了阻止枝晶的产生,我们需要形成一层均衡且稳定的“超级”SEI层,来支撑SEI。实现此目的的一种方法是设置人工SEI层,从而改变阳极的表面状态。我们已经尝试了这种方法,它确实有效。但可惜的是,这种方法使锂离子电池的制造大大复杂化了。

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  为了阻止枝晶的产生,我们需要形成一层均衡且稳定的“超级”SEI层,来支撑SEI。实现此目的的一种方法是设置人工SEI层,从而改变阳极的表面状态。我们已经尝试了这种方法,它确实有效。但可惜的是,这种方法使锂离子电池的制造大大复杂化了。

  但这种新策略不仅有望创造出一种更安全、能量更高的锂离子电池,还有望为下一代化学电池的研究铺平道路。

  随后在放电过程中,锂离子被拉出阳极,阳极再次收缩。SEI层坍塌,产生更多的裂缝和小孔,下次电池充电时,更多的枝晶能够从这些裂缝和小孔中开始射出。并且,将如此多的金属锂暴露于电解质中,这些裂缝会导致两种组分发生化学反应。随着锂消失在所得到的化学产品中,剩下的用于电池中的锂就减少了。这种减少降低了所谓的库伦效率,即用使用过程中消耗的锂的数量除以仍参与每次充放电循环反应的锂的数量所得的值。

  枝晶是从阳极产生的有尖突的丝状锂金属。这些纤维能像葛藤一样蔓延到电解质中,刺穿隔膜并到达阴极。如此微小的东西能造成如此大的破坏,着实令人震惊——例如,它们就是2013年波音787多次因火灾而返航的罪魁祸首。

  锂子的形成需要发生在阳极和电解质的交汇点,所处的层被称为固体电解质膜(SEI)。有足够的锂离子进入阳极并在那里容纳电子后,阳极最终会膨胀到足以刺破SEI层。从这个时候起,锂开始在SEI被破坏的部分形成枝晶。这些沉积物形成了枝晶的晶种。

  这项防止枝晶生长的技术仍处于早期阶段。在考虑其商业化应用之前,我们仍有问题需要解决。特别困难的是为几种不同种类的锂电池分别找到电解质助剂的精确配方。

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  此外,枝晶非常脆弱,它们常常从阳极脱落,产生无法重复使用的“死锂”,这进一步降低了电池的库伦效率。为了弥补此类损失,如今的蓄电池必须包含额外的锂,这大幅增加了它们的重量和成本。

银河老虎机  我们观察到了有趣的现象。没有电解质助剂,电镀锂形成的结构薄、尖锐且呈纤维状——简言之,呈现枝晶状。但当我们将硝酸锂加入到电解质中时,沉积的锂更厚,不那么尖锐,且其形状有点像面条。硝酸锂减缓了枝晶生长,但并没有阻止它。接下来,我们将各种不同量的多硫化锂和硝酸锂加入到电解质中。在助剂正好平衡的情况下,我们寻求的协同效应得以实现:没有产生有害的枝晶状结构。相反,我们得到了平整的、薄饼形状的锂沉积物。即使在数百次的充放电循环后,电镀锂的表面也仍然是平整的,没有产生任何枝晶结构。

  解决枝晶生长的问题,不仅仅是为了如今的锂离子电池,也是为了未来需要锂金属阳极的电池。这是因为,金属锂有很高的理论比能容量(3860毫安时/克)以及其他阳极材料无法匹敌的负电化学电势。更高的电势允许更高的蓄电池电压,这正是电动汽车和移动设备所需要的。

1.

  这两种特质使得锂阳极对尚在实验室阶段的蓄电池技术非常重要,例如极具潜力的锂-硫和锂-空气蓄电池,它们的存储量可达到当今锂离子电池设计的5到10倍。这些未来的蓄电池可能无法像锂离子电池一样,包含石墨制成的阳极,石墨阳极的理论容量仅有372毫安时/克。

  即便超薄隔膜遭受最轻微的损害,都会让电极直接接触,导致内部短路,产生足以让电池着火的热量。然后,火焰的热量可能使相邻的电池过热,导致链式反应,很容易使整个蓄电池组爆炸。

抑制丝状金属(即枝晶)的生长 使锂离子电池更安全

  枝晶是从阳极产生的有尖突的丝状锂金属。这些纤维能像葛藤一样蔓延到电解质中,刺穿隔膜并到达阴极。如此微小的东西能造成如此大的破坏,着实令人震惊——例如,它们就是2013年波音787多次因火灾而返航的罪魁祸首。

  除了阻止枝晶外,我们的两种助剂还一起显著提高了库伦效率和循环稳定性。在经过300多次充放电循环后,库伦效率优于99%。充电所产生的电镀锂仅比放电过程中剥离的锂多一点。相比之下,单独使用硝酸锂时,仅在180次充放电循环后,库伦效率就下降到92%,单独使用多硫化物时,库伦效率仅为约80%。

抑制丝状金属(即枝晶)的生长 使锂离子电池更安全

2.  同时,我们发现了硝酸锂,这是一种很常用的锂盐,长期以来被认为是潜在的电解质助剂,因为它能够限制或钝化金属锂的活动性。或许通过向电解质中加入多硫化物和硝酸锂,我们能够创造互补作用:多硫化物和金属锂反应,而硝酸锂能够帮助防止锂与多硫化物反应。通过操作这两个竞争反应,我们将能够把硫-锂反应从缺陷转变为一种有用的功能。

  解决枝晶生长的问题,不仅仅是为了如今的锂离子电池,也是为了未来需要锂金属阳极的电池。这是因为,金属锂有很高的理论比能容量(3860毫安时/克)以及其他阳极材料无法匹敌的负电化学电势。更高的电势允许更高的蓄电池电压,这正是电动汽车和移动设备所需要的。

3.  解决枝晶生长的问题,不仅仅是为了如今的锂离子电池,也是为了未来需要锂金属阳极的电池。这是因为,金属锂有很高的理论比能容量(3860毫安时/克)以及其他阳极材料无法匹敌的负电化学电势。更高的电势允许更高的蓄电池电压,这正是电动汽车和移动设备所需要的。

  这两种助剂一起使用,带来了巨大的改进,原因就在于对SEI层的影响。为了弄清楚这种影响的确切机制,我们使用了一种被称为X射线光电子能谱的技术,以及传统的电子显微镜,来推断SEI层的结构和化学构成。在使用其中一种助剂的电池中,我们发现,SEI层被很多裂缝和针孔损坏。然而,当两种助剂都存在时,我们得到了平整、均匀的SEI层。并且,SEI层的化学分解证实了这两种助剂确实具有竞争效应。

  此外,枝晶非常脆弱,它们常常从阳极脱落,产生无法重复使用的“死锂”,这进一步降低了电池的库伦效率。为了弥补此类损失,如今的蓄电池必须包含额外的锂,这大幅增加了它们的重量和成本。

  这两种特质使得锂阳极对尚在实验室阶段的蓄电池技术非常重要,例如极具潜力的锂-硫和锂-空气蓄电池,它们的存储量可达到当今锂离子电池设计的5到10倍。这些未来的蓄电池可能无法像锂离子电池一样,包含石墨制成的阳极,石墨阳极的理论容量仅有372毫安时/克。

  因此,电池隔膜的完整性最为重要。当然,在制造过程中必须尽一切努力来防止对隔膜造成损害,但即使是完美装配的隔膜,如果枝晶对它造成损害,它也会失效。

  这两种助剂一起使用,带来了巨大的改进,原因就在于对SEI层的影响。为了弄清楚这种影响的确切机制,我们使用了一种被称为X射线光电子能谱的技术,以及传统的电子显微镜,来推断SEI层的结构和化学构成。在使用其中一种助剂的电池中,我们发现,SEI层被很多裂缝和针孔损坏。然而,当两种助剂都存在时,我们得到了平整、均匀的SEI层。并且,SEI层的化学分解证实了这两种助剂确实具有竞争效应。

4.

  我们组装了硬币状电池,它也称为纽扣电池,和为手表、计算器以及助听器等小型电子设备供电的电池类似,我们还在充电过程中使用恒定电流,允许相同的电流在放电期间流动。我们通过给电池充电,将一层锂沉积在不锈钢上;然后在放电过程中将其剥离,将该循环重复多次。最终,我们将电池拆开,并在扫描电子显微镜下检查锂的沉积。

  这两种助剂一起使用,带来了巨大的改进,原因就在于对SEI层的影响。为了弄清楚这种影响的确切机制,我们使用了一种被称为X射线光电子能谱的技术,以及传统的电子显微镜,来推断SEI层的结构和化学构成。在使用其中一种助剂的电池中,我们发现,SEI层被很多裂缝和针孔损坏。然而,当两种助剂都存在时,我们得到了平整、均匀的SEI层。并且,SEI层的化学分解证实了这两种助剂确实具有竞争效应。

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  除了阻止枝晶外,我们的两种助剂还一起显著提高了库伦效率和循环稳定性。在经过300多次充放电循环后,库伦效率优于99%。充电所产生的电镀锂仅比放电过程中剥离的锂多一点。相比之下,单独使用硝酸锂时,仅在180次充放电循环后,库伦效率就下降到92%,单独使用多硫化物时,库伦效率仅为约80%。

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