锂枝晶的形成仍然是一个谜，但材料工程师正在研究 产生树突的条件以及如何阻止它们。
从历史上看，就像几十年前一样，可充电锂金属电池是危险的。 这些电池很快就被放弃，取而代之的是锂离子电池，其中包含 不含金属锂，现已广泛使用。努力继续推动能源 密度上升，成本下降，我们再次探索如何高效、安全地使用 电池中的锂金属。固态电池不含易燃液体，可能 成为解决方案。 然而，由于锂金属仍然被发现，进展已经放缓。 一种使电池短路并限制循环寿命的方法。
固态锂电池是能源存储的圣杯。有潜力 对从个人移动设备到工业可再生能源的一切影响， 这些困难是值得克服的。目标：打造安全且寿命长的锂电池。挑战：使用固态电解质并阻止地层短路 和锂枝晶的生长。
在一篇新的受邀专题论文中发表，足球比赛结果的材料工程师对这个问题进行了权衡。 他们的做法不同寻常。他们专注于锂在维度上的独特力学 这是你头上头发直径的一小部分——鳞片要小得多 比大多数其他人想象的要多。
关于研究员
埃里克·赫伯特
eherbert@mtu.edu
906-487-3745
研究兴趣
- 纳米和微米长度尺度上材料的最先进的环境、非环境、操作中和原位机械行为
- 金属、陶瓷、聚合物、复合材料、半导体、生物材料和结构化器件的新型小型机械测试方法的开发和实施
- 独特材料和系统的机械表征，例如但不限于散装材料、单相、薄膜、涂层、改性表面、微柱、纤维、膜、水凝胶、MEMS、微流体和微机械设备
- 在惰性气氛中以及 -20 至 100 摄氏度（先进材料联合研究所高达 1100 摄氏度）的温度范围内进行小规模机械测试
- 测量小体积粘弹性固体的复数模量的分量
- 根据纳米压痕数据预测单轴应力-应变曲线
- 界面、多相合金和热影响区的高速属性映射
- 能够操纵应力状态的多轴接触实验
- 测量独立式薄膜中的残余应力
“人们认为锂像黄油一样柔软，那么它怎么可能具有 穿透陶瓷固体电解质隔膜的强度？”埃里克·赫伯特问， 助理教授材料科学与工程足球比赛结果，该研究的领导者之一。他说答案并不直观 ——越小越强。微小的物理缺陷，如微裂纹、孔隙或表面粗糙度 不可避免地存在于锂阳极和固体电解质之间的界面处 分隔符。在相应的长度尺度上放大锂金属的力学 有了这些微小的界面缺陷，事实证明锂比锂强得多 它处于宏观或体长度尺度。
“锂不喜欢压力，就像你我不喜欢压力一样，所以它只是尝试 找出如何消除压力，”赫伯特说。 “我们所说的 是在小长度尺度上，锂不太可能接触到 它使用的正常机制来缓解压力，它必须依赖其他较少的机制 缓解压力的有效方法。”
在锂等每种晶体金属中，都存在称为位错的原子级缺陷 需要缓解大量的压力。宏观或整体长度 鳞片、位错可以有效地消除应力，因为它们允许相邻平面 原子可以像一副纸牌一样轻松地相互滑过。然而，在小 长度尺度和相对于金属熔点的高温，机会 在受力体积内发现位错的概率非常低。在这些条件下， 金属必须找到另一种方式来缓解压力。对于锂来说，这意味着 切换到扩散。应力将锂原子推离受压体积 – 类似于在原子机场走道上被带走。与脱位相比 运动、扩散效率很低。这意味着在小长度尺度上，扩散 控制应力释放而不是位错运动，锂可以支持超过 比宏观长度尺度上的应力或压力高 100 倍。
赫伯特和他的共同领导者、MTU 教授斯蒂芬可能会出现灾难性的问题 哈克尼，称为缺陷危险区。该区域是物理缺陷尺寸的窗口 由扩散和位错运动之间的应力消除竞争来定义。 最坏的情况是物理界面缺陷（微裂纹、孔隙或表面 粗糙度）太大，无法通过扩散有效消除应力，但太小 通过位错运动来消除应力。在这个逆向金发姑娘问题中， 锂内部的高应力会导致固体电解质和整个电池 灾难性的失败。有趣的是，危险区域的大小与 观察到的锂枝晶。
“提供非常薄的固态电解质和高电流密度 消费者期望的电池电量和短充电时间的条件是 有利于锂枝晶失效，因此技术必须解决枝晶问题 进步，”哈克尼说。 “但是为了使固态技术可行，功率 必须解决能力和循环寿命限制。当然，第一步 解决问题就是要了解根本原因，这就是我们正在努力的 与当前的工作有关。”
哈克尼指出，越小越好的概念并不新鲜。材料工程师 自 20 世纪 50 年代以来，人们一直在研究长度尺度对机械行为的影响，尽管 考虑锂枝晶和固体电解质尚未广泛应用 问题。
“我们认为这种‘越小越好’范式直接适用于观察到的 锂枝晶尺寸，并通过我们对非常干净、厚的锂的实验证实 薄膜的应变率与枝晶不稳定性的开始有关 充电，”哈克尼说。
为了严格检验他们的假设，赫伯特和哈克尼进行了纳米压痕 由顶级电池研究人员生产的高纯度锂薄膜进行实验， 南希·杜德尼.
“锂金属的整体特性已得到很好的表征，但这可能并不适用 与可能起作用的缺陷和不均匀电流分布的规模有关 在非常薄的固态电池中，”杜德尼说。 “本文提出的模型 是第一个绘制出更强的锂会影响循环寿命的条件的人 性能。 这将指导未来固体电解质和电池的研究 设计。”
团队的下一步计划是检查温度和电化学的影响 小长度尺度下锂机械行为的循环。这会有所帮助 他们更好地了解现实世界的条件和策略，使下一代 电池不受锂枝晶形成和生长的影响。
赠款和资金
能源部能源效率和可再生能源办公室的先进电池材料 研究计划；塔德克
足球比赛结果是一所 R1 公立研究型大学，成立于 1885 年，位于霍顿，拥有来自全球 60 多个国家的近 7,500 名学生。密歇根州旗舰科技大学的投资回报率一直名列全美最佳大学之列，提供超过 185 个本科和毕业生科学技术、工程、计算机、林业、商业、健康专业、人文、数学、社会科学和艺术领域的学位课程。乡村校园距离密歇根州上半岛的苏必利尔湖仅数英里，提供全年户外探险的机会。
评论