麻省理工学院的工程师们正在寻找全固态锂电池

麻省理工学院的工程师团队首次研究了硫化物固体电解质材料的机械性能,以确定其与电池结合时的机械性能。

大多数电池是由两个固体,电化学活性层称为电极,由注入液体或凝胶电解质的聚合物膜隔开。但是最近的研究探索了全固态电池的可能性,其中液体(可能是易燃的)电解质将被固态电解质取代,这将增强电池的性能。能量密度和安全性。

这项新发现发表在本周的《先进能源材料》杂志上,由麻省理工学院的研究生Frank McGrogan和Tushar Swamy撰写的一篇论文中;材料科学与工程教授Krystyn Van Vliet, the Michael(1949)和Sonja Koerner;京瓷材料科学与工程教授蒋叶明;以及其他四名学生,包括一名本科生,参加由麻省理工学院材料科学与工程中心及其材料加工中心管理的国家科学基金本科生研究经验项目。

锂离子电池提供了一种轻量级的能量存储解决方案,为今天从智能手机到电动汽车的许多高科技设备提供了支持。但是在这种电池中,用固体电解质代替传统的液体电解质可能具有显著的优势。这种全固态锂离子电池可以在电池组水平上提供更大的能量存储能力。它们还可以消除被称为树突的微小指状金属突起的风险,树突可以通过电解质层生长,从而导致短路。

全固态组件的电池在性能和安全性方面很有吸引力,但仍存在一些挑战,Van Vliet说。在目前占据市场主导地位的锂离子电池中,锂离子在电池充电时通过液体电解质从一个电极到另一个电极,然后在使用过程中以相反的方向流动。这种电池效率很高,但电解液的化学性质不稳定,甚至可能是易燃的。她说。所以如果电解质是固态的,它就会更安全,也会更小更轻。

但是,关于使用这种全固态电池的最大问题是,当电极反复充放电时,电解质材料内部会产生什么样的机械应力。当锂离子从电极晶体结构中进出时,这种循环导致电极膨胀和收缩。在较硬的电解液中,这些尺寸变化会导致高应力。如果电解液也很脆弱,那么尺寸的不断变化就会导致裂缝,从而迅速降低电池的性能,甚至可能为损坏树突的形成提供通道,就像液体电解液电池那样。但如果材料抗断裂,这些应力就可以适应而不会迅速开裂。

然而,到目前为止,硫化物对普通实验室空气的极度敏感性给测量包括断裂韧性在内的力学性能带来了挑战。为了解决这个问题,研究小组的成员在矿物油中进行了机械测试,以保护样品不受空气或湿气的化学作用。利用这项技术,他们能够获得关于导电锂硫化物机械特性的详细测量,这种材料被认为是全固态电池中很有前途的电解质候选者。

固态电解质有很多不同的候选者,McGrogan说。其他研究小组研究了锂离子导电氧化物的机械性能,但迄今为止,对硫化物的研究工作很少,尽管硫化物因其能轻松快速地导电锂离子而特别有前景。

以前的研究人员使用声学测量技术,通过声波穿过材料来探测其力学行为,但这种方法并没有量化材料的抗断裂能力。但是新的研究,使用一个细尖端的探针来探测材料并监测其反应,给出了重要特性的更完整的图像,包括硬度、断裂韧性和杨氏模量(材料在施加应力下可逆拉伸能力的测量)。

研究小组测量了硫化物基固体电解质的弹性性能,但没有测量断裂性能。Van Vliet说。后者对于预测材料在电池应用中是否会破裂或破裂是至关重要的离子。

研究人员发现,这种材料具有一些类似于橡皮泥或盐水太妃糖的特性:当受到应力时,它很容易变形,但在足够高的应力下,它会像易碎的玻璃一样破裂。

通过详细了解这些特性,你就可以计算出材料在断裂前所能承受的应力大小。并根据这些信息设计电池系统,Van Vliet说。

麦克格罗根说,这种材料比理想的电池使用要脆得多,但只要它的特性为人所知,并相应地设计出相应的系统,它在这方面仍有潜力。你必须围绕这些知识来设计。

最先进的锂离子电池的循环寿命主要受到液体电解质的化学/电化学稳定性以及它如何与电极相互作用的限制。密歇根大学机械工程教授Jeff Sakamoto说,他没有参与这项工作。然而,在固态电池中,机械退化很可能决定稳定性或耐久性。因此,理解固态电解质的力学性质是非常重要的。他说。

Sakamoto补充说,与最先进的石墨阳极相比,金属锂阳极的容量有了显著提高。与传统的锂离子技术相比,这可以转化成百分之百的能量密度。

该研究团队还包括麻省理工学院的研究员肖恩·毕肖普、艾丽卡·埃格尔顿、卢卡斯·波兹和陈信伟。这项工作得到了美国能源部能源科学基础办公室的支持,用于研究远离平衡界面的化学力学。

发表:Frank P. McGrogan,等人,Li2S–P2S5锂离子导电固体电解质的柔韧脆性力学行为,先进能源材料,2017年;