解明鋰枝晶的形成機制,可望促進固態電池長壽命化

 

刊登日期:2023/5/19
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德國馬克斯·普朗克高分子研究所(Max Planck Institute for Polymer Research)發表了一項可望有助於改善固態電池耐久性之研究成果。固態電池是目前最受市場肯定且具產業顛覆性的次世代動力電池技術,然而在實用化方面仍有充放電速度慢、循環壽命低等問題。目前的固態電池在充放電循環次數達到一定程度時會出現正負極短路的現象,這是因為電池中的「鋰枝晶」隨著充電次數持續生長,最終連接兩個電極。然而目前為止,此現象的物理過程尚不明確。
 
研究團隊利用特殊的顯微鏡方法觀察了鋰枝晶的生長過程,並發現其生長過程的型態類似於「鐘乳石洞」的形成,上方與下方的鋰枝晶逐漸累積而相連。為了解明鋰枝晶的形成機制,研究團隊對構成陶瓷固體電解質中多晶固體的「晶粒界(Grain Boundary)」進行了觀察。晶粒界是在製造固體層的過程中形成,陶瓷結晶內的原子原則上是有序排列的,但由於結晶成長過程中發生微小且隨機的變動,進而產生原子排列不規則的區域。
 
觀察晶粒界的顯微鏡方法使用了「表面電位顯微鏡技術(Kelvin Probe Force Microscopy; KPFM)」。觀察結果顯示,在固態電池充電期間電子沿著晶粒界堆積,特別是在負極附近。由此可知晶粒界不僅改變了陶瓷的原子排列,並改變了電子結構。當電子(帶負電的粒子)積累後,在固體電解質中移動的帶正電鋰離子被還原為金屬鋰,導致鋰沉積且生長成鋰枝晶。然而此現象僅在負極中觀察到。研究團隊表示,透過正確理解枝晶生長的過程,將可望有助於建立相關防止或抑制的方法,藉此將能加速更安全之鋰固態電池的實用化。

資料來源: https://engineer.fabcross.jp/archeive/230418_battery.html
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