电池突破技术将使电动飞机飞行并推动远程电动汽车的发展

伯克利实验室和卡内基梅隆大学的研究人员设计了新的固体电解质，为更广泛的运输电气化道路扫清了道路。

伯克利实验室开发的新电池技术可以使飞机飞行，并为安全，远程的电动汽车增压。

为了追求可一次充电即可为电动汽车（EV）供电数百英里的可充电电池，科学家们努力用锂金属阳极代替目前在EV电池中使用的石墨阳极。

但是，尽管金属锂将电动汽车的行驶里程扩大了30％至50％，但由于锂枝晶，在许多充电和放电循环过程中在锂阳极上形成的微小树状缺陷，它也缩短了电池的使用寿命。更糟糕的是，如果树突状电池与阴极接触，则会使电池短路。

几十年来，研究人员一直认为，坚硬的固体电解质（例如由陶瓷制成的电解质）最能有效防止树枝状晶体通过电池。但是，许多人发现，这种方法的问题在于，它并没有阻止树突首先形成或“成核”，就像汽车挡风玻璃中的微小裂缝最终扩散一样。

现在，能源部的劳伦斯·伯克利国家实验室（伯克利实验室）的研究人员与卡内基·梅隆大学合作，在《自然材料》杂志上报道了一类新型的，由聚合物和陶瓷制成的柔软，固态的电解质，它可以抑制树枝状晶体。在成核的早期阶段，它们才能传播并导致电池失效。

该技术是伯克利实验室在其用户设施中开展多学科合作以开发新概念以组装，表征和开发固态电池材料和设备的一个例子。

使用固态电极和固态电解质的固态储能技术（例如固态锂金属电池）可以提供高能量密度和出色的安全性，但是该技术必须克服固有的材料和加工挑战。

“我们的树突抑制技术对电池行业具有令人兴奋的意义，”伯克利实验室Molecular Foundry的研究人员布雷特·赫尔姆斯（Brett Helms）说。“有了它，电池制造商可以生产出既安全又具有高能量密度和长循环寿命的锂金属电池。”

赫尔姆斯补充说，用这种新电解质制造的锂金属电池也可用于为电动飞机供电。

一种抑制枝晶的软方法

这些新型的固态固体电解质设计的关键是使用具有固有微孔性的软聚合物，即PIM，其孔隙中充满了纳米尺寸的陶瓷颗粒。由于电解质仍然是一种柔软，柔软的固体材料，因此电池制造商将能够使用电解质作为阳极和电池隔板之间的层压板来制造锂箔卷。Helms说，这些锂电极子组件或LESAs是常规石墨阳极的有吸引力的直接替代品，使电池制造商可以使用其现有的装配线。

为了演示新型PIM复合电解质的树突抑制功能，Helms团队在伯克利实验室的Advanced Light Source中使用了X射线来创建锂金属与电解质之间界面的3D图像，并可视化了锂的电镀和剥离过程。在大电流下需要16个小时。当存在新的PIM复合电解质时，观察到锂的连续平稳生长，而在没有PIM复合电解质的情况下，界面显示出树枝状生长早期阶段的明显迹象。

这些和其他数据证实了锂金属电沉积新物理模型的预测，该模型同时考虑了固体电解质的化学和机械特性。

“在2017年，当传统观点认为您需要硬质电解质时，我们提议使用软质固体电解质可以实现新的枝晶抑制机制，”机械工程学副教授兼研究员Venkat Viswanathan说道。卡内基梅隆大学的斯科特能源创新研究所负责这项工作的理论研究。“在PIM复合材料中找到这种方法的实质实现真是令人惊讶。”

根据美国高级研究计划署（ARPA-E）IONICS计划的获奖者，24M Technologies已将这些材料整合到用于EV和电动垂直起降飞机或eVTOL的更大格式的电池中。

赫尔姆斯说：“尽管电动汽车和eVTOL有独特的功率要求，但PIM复合固体电解质技术似乎具有多种用途，并能实现高功率。”

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参考：“用于防止锂金属电池中树枝状晶体形成的固体离子导体的通用化学机械设计规则”，傅承银，Victor Venturi，Jinsoo Kim，Zeeshan Ahmad，Andrew W. Ells，Venkatasubramanian Viswanathan和Brett A. Helms，2020年4月27日，自然材料.DOI：
10.1038 / s41563-020-0655-2

伯克利实验室和卡内基梅隆大学的研究人员参加了这项研究。

分子铸造厂和高级光源是位于伯克利实验室的DOE科学办公室用户设施。

这项工作得到了能源高级研究计划局（ARPA-E）和美国能源部科学办公室的支持。美国能源部教师和科学家劳动力发展办公室提供了额外的资金，这使大学生能够通过理科本科生实验室实习计划参与该研究。