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电镜表征新成就颠覆认知 全固态电池量产不是梦

仪器信息网 2020/02/12 15:29:58 点击 84 次

导语

2020开年新气象,电镜科研新成就。困扰业界许久的锂枝晶生长机理问题取得重大突破,全固态电池距离量产迈进一大步。



近日,燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室黄建宇教授、沈同德教授和唐永福副教授等人联合美国佐治亚理工学院朱廷教授、宾夕法尼亚大学张宿林教授,通过巧妙地设计实验过程,实时直观地记录了锂枝晶生长的微观机制,精准测定了其力学性能和力-电耦合特性。更难能可贵的是,该研究团队还提出了一种固态电池中抑制锂枝晶生长的可行性方案。锂枝晶的生长机理难题困扰业界许久,至此终于有种“拨开云雾见天日,守得云开见月明”的感觉了。

论文链接:

www.nature.com/articles/s41565-019-0604-x

据悉,该研究成果已在权威国际期刊《自然-纳米技术》(Nature Nanotechnology)刊登发布。《自然-纳米技术》是材料与纳米科技领域的国际顶级学术期刊,2019年的影响因子高达33.407,该研究成果的突破性和重要性由此可见一斑。

为什么这项研究成果能够引发业界广泛关注呢?

这就不得不提到目前在电动汽车上广泛使用的液态锂离子电池,其主要结构包括正负极材料、隔膜和电解液。因内部构造原因,液态锂离子电池容易受环境温度影响,而且很容易产生不可控的锂枝晶。锂枝晶非常“锋利”,可以刺破隔膜导致电解液泄漏,导致电池内部短路,从而造成电池起火甚至汽车自燃事故,近年来为提升电池的能量密度,企业把隔膜厚度从十几毫米降低到了五六毫米,2019年特斯拉、蔚来等大牌电动汽车相继“走火”,或许也间接反映了这个问题。

概括言之,在材料体系没有创新的条件下,目前商品化的液态锂离子电池的能量密度已经逼近“极限”(300Wh/kg左右),“里程焦虑”、“可能自燃”等问题重创消费市场。既然液态电解液不行,那改用机械刚性的固态电解质不就完事了么?于是乎,全固态锂离子电池(简称:全固态电池)进入了公众视野。

顾名思义,全固态锂离子电池采用的是固态电解质,不含任何液态组份,结构更加安全。与液态锂离子电池相比,全固态锂离子电池的能量密度最高潜力达900Wh/kg,因此,固态电池被视作为下一代锂电池技术革命,其量产与普及将会彻底解决电动汽车发展的最大瓶颈问题,国内外车企巨头已然纷纷布局涉足,“固态热潮”一时风头无两。

然而,全固态电池的研发之路也并非一马平川。全固态电池以金属锂作为负极材料,仍然绕不开“不可控锂枝晶”的这个坎儿,实验结果表明,锂枝晶生长到一定程度时,也可以穿透固态电解质,造成电池短路失效。尽管诸多研究致力于探索如何抑制锂枝晶的产生,但是以往研究主要停留在宏观尺度,对于锂枝晶生长的微观机理、力学性能、刺穿固态电解质的机制及抑制其生长的科学依据缺乏足够了解。

赘述至此,相信您应该充分了解黄建宇教授、沈同德教授等人的研究成果的重要性了吧?!

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AFM-ETEM纳米电化学测试平台,可实现原位观测纳米固态电池中锂枝晶生长机制及其力学性能和力—电耦合精准定量测量。

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据悉,该研究团队基于AFM-ETEM平台发现,在室温下,当对AFM针尖施加电压(过电位)时亚微米晶须开始生长,其生长应力高达130 MPa,远高于此前研究报道。此外,研究人员还发现锂晶须在纯机械载荷作用下的屈服强度可达244Mpa,远高于宏观金属锂的屈服强度(~1MPa)。

可以说,该研究成果颠覆了研究者对锂枝晶力学性能的传统认知,为抑制全固态电池中锂枝晶生长提供了新的定量基准,为设计具有高容量长寿命的金属锂固态电池提供了科学依据,这项研究成果得到应用之后,全固态电池将有望加速实现商业化量产。

很荣幸,赛默飞世尔科技旗下Thermo Scientific品牌的两大拳头电镜产品能够深度参与此项研究工作,并帮助研究团队发明了一种基于原子力显微镜—环境透射电镜(AFM-ETEM)原位电化学测试平台,建立起了一种有效的研究锂枝晶的动态原位实验表征新技术。它们是Themis™ ETEM环境气氛球差校正透射电子显微镜(左图)Helios PFIB双束电镜(右图)

Helios PFIB

                                  Themis™ ETEM  


Themis™ ETEM 300kV原子分辨扫描/ 透射电子显微镜可以一体化解决纳米材料在接触活性气体环境和升温的过程中的时间分辨动态特性原位研究,包括材料的结构性能关系、原子尺度的几何结构、电子结构以及化学组成。

Helios PFIB系统结合了Elstar电子镜筒和Vion氙等离子体离子镜筒,既可以实现纳米分辨率和最高衬度成像,又能确保尺度样品加工的速度和精确度。

基于此,赛默飞推出了一系列针对锂电池行业的多尺度二维及三维表征解决方案,主要包含多功能计算机断层扫描系统、扫描电镜、镓离子双束电镜、Xe等离子双束电镜、透射电镜等产品,涉及电芯表征、电极表征、隔膜表征等应用,希望从广度和深度两个方面,为客户在锂电池开发的各个阶段提供强力支持的产品组合,助力攻克电池研发技术难题,让全固态锂离子电池的量产与普及不再是梦,让电动汽车“充一次电跑1000公里”不再是梦!



[来源:赛默飞电镜(原FEI)]  
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