一区二区三区三上|欧美在线视频五区|国产午夜无码在线观看视频|亚洲国产裸体网站|无码成年人影视|亚洲AV亚洲AV|成人开心激情五月|欧美性爱内射视频|超碰人人干人人上|一区二区无码三区亚洲人区久久精品

0
  • 聊天消息
  • 系統(tǒng)消息
  • 評(píng)論與回復(fù)
登錄后你可以
  • 下載海量資料
  • 學(xué)習(xí)在線課程
  • 觀看技術(shù)視頻
  • 寫(xiě)文章/發(fā)帖/加入社區(qū)
會(huì)員中心
創(chuàng)作中心

完善資料讓更多小伙伴認(rèn)識(shí)你,還能領(lǐng)取20積分哦,立即完善>

3天內(nèi)不再提示

將異構(gòu)塊添加到固態(tài)電解質(zhì)中的策略

鋰電聯(lián)盟會(huì)長(zhǎng) ? 來(lái)源:鋰電聯(lián)盟會(huì)長(zhǎng) ? 作者:鋰電聯(lián)盟會(huì)長(zhǎng) ? 2022-08-30 10:51 ? 次閱讀
加入交流群
微信小助手二維碼

掃碼添加小助手

加入工程師交流群

枝晶生長(zhǎng)引起的短路問(wèn)題是導(dǎo)致全固態(tài)電池(ASSB)商業(yè)化應(yīng)用困難的主要原因之一。實(shí)驗(yàn)表征、理論分析和計(jì)算建模等各方面的研究初步揭示了固態(tài)電解質(zhì)(SE)中枝晶的生長(zhǎng)機(jī)制:枝晶通常從界面缺陷、空隙、雜質(zhì)和晶界處開(kāi)始生長(zhǎng),也會(huì)在局部電子結(jié)構(gòu)的影響下直接在SE內(nèi)部生成;一旦形成,枝晶會(huì)持續(xù)生長(zhǎng)并穿透SE,伴隨著裂紋擴(kuò)展并最終導(dǎo)致內(nèi)部短路(ISC)。抑制枝晶的策略主要從力學(xué)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料科學(xué)等角度出發(fā),然而在防止枝晶生長(zhǎng)引起的短路問(wèn)題方面,進(jìn)展不甚理想。枝晶生長(zhǎng)涉及電化學(xué)、機(jī)械等多個(gè)物理場(chǎng),因此在考慮電化學(xué)-機(jī)械因素耦合的前提下,需要進(jìn)行對(duì)減緩枝晶生長(zhǎng)具有更高魯棒性的SE進(jìn)行材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

【工作介紹】

受珍珠層狀磚混結(jié)構(gòu)啟發(fā),美國(guó)UNC Charlotte大學(xué)許駿教授團(tuán)隊(duì)提出了將異質(zhì)塊(HB)嵌入固體電解質(zhì)(SE)的策略,以利用HB與SE的機(jī)械錯(cuò)配來(lái)減緩枝晶生長(zhǎng)從而降低短路風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)建立的多物理場(chǎng)全耦合模型,其將枝晶生長(zhǎng)和裂紋擴(kuò)展直接聯(lián)系起來(lái),研究了異質(zhì)塊性能、排布等參數(shù)對(duì)枝晶生長(zhǎng)的影響,發(fā)現(xiàn)了電解質(zhì)中嵌入特殊排布的HB或多層SE結(jié)構(gòu)能夠影響枝晶的生長(zhǎng),提出了抑制枝晶生長(zhǎng)、降低短路風(fēng)險(xiǎn)的機(jī)制圖,為能抑制枝晶生長(zhǎng)的固態(tài)電解質(zhì)的設(shè)計(jì)與制備提供可能的指導(dǎo)方向。相關(guān)研究成果以“Heterogeneous Reinforcements to Mitigate Li Penetration through Solid Electrolytes in All-Solid-State Batteries”發(fā)表在國(guó)際期刊Advanced Energy Materials上。袁春浩博士生為本文第一作者,美國(guó)Brown University的Brian Sheldon教授為共同作者。

【內(nèi)容表述】

1. 模擬枝晶生長(zhǎng)

近期實(shí)驗(yàn)表明某些無(wú)機(jī)固體電解質(zhì)中的枝晶生長(zhǎng)可以與裂紋擴(kuò)展相結(jié)合,其中枝晶生長(zhǎng)會(huì)驅(qū)動(dòng)裂紋擴(kuò)展,新形成的裂紋為枝晶提供了更多空間?;谏鲜鲂袨?,本研究采用全耦合的力學(xué)-電池-相場(chǎng)模型,并有如下機(jī)制:鋰枝晶生長(zhǎng)的內(nèi)部壓力驅(qū)動(dòng)SE斷裂,裂紋擴(kuò)展又促進(jìn)鋰枝晶生長(zhǎng);鋰枝晶受到周?chē)鶶E的機(jī)械約束,其連續(xù)生長(zhǎng)由對(duì)相鄰電解質(zhì)施加壓力的電化學(xué)沉積驅(qū)動(dòng);SE中產(chǎn)生的應(yīng)變能隨后通過(guò)SE的斷裂而松弛,從而為鋰枝晶提供更多的生長(zhǎng)空間。

14e37b4a-27db-11ed-ba43-dac502259ad0.png

圖1 模型結(jié)構(gòu)示意圖

在充電過(guò)程中(施加可實(shí)用的電流密度~2 mA/cm2),鋰枝晶會(huì)從左側(cè)鋰金屬負(fù)極-SE界面處的預(yù)制缺陷點(diǎn)開(kāi)始生長(zhǎng),沿著x軸穿透SE并到達(dá)右側(cè)正極端,建立起正負(fù)極間的電子通路而最終引起電池短路(ISC)。因此,本文關(guān)注的焦點(diǎn)在于如何設(shè)計(jì)使得鋰枝晶的生長(zhǎng)方向偏離x軸(例如沿著y軸),從而降低短路風(fēng)險(xiǎn)。

本文假設(shè)電解質(zhì)的主體是具有高電導(dǎo)率的LLZO以保證低內(nèi)阻與良好電化學(xué)性能,而HB具有增強(qiáng)的機(jī)械性能可以防止枝晶穿透,但HB離子電導(dǎo)較低。通過(guò)一系列參數(shù)化研究,發(fā)現(xiàn)改變HB的楊氏模量、離子電導(dǎo)等參數(shù)無(wú)法避免枝晶穿透HB,然而具備高斷裂韌性(例如~2 MPa m0.5)的HB卻可以防止枝晶嵌入甚至改變枝晶生長(zhǎng)方向,因此接下來(lái)包含HB的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)均是基于其高斷裂韌性。

2. 異質(zhì)增強(qiáng)塊HB對(duì)枝晶生長(zhǎng)的影響

2.1 單個(gè)HB影響

為了清楚地理解使用HB對(duì)枝晶抑制的效果,首先嵌入單個(gè)HB并從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度關(guān)注單個(gè)HB的尺寸效應(yīng)。在不同電解質(zhì)(SE)尺寸與HB尺寸下,枝晶表現(xiàn)出不同的生長(zhǎng)行為:低電導(dǎo)率HB的嵌入對(duì)電解質(zhì)電勢(shì)分布影響很小(圖2a);HB的特征長(zhǎng)度e(HB與SE的長(zhǎng)度之比,LHB/LSE)決定了HB對(duì)枝晶生長(zhǎng)行為的影響(圖2b),即e較小時(shí)枝晶遇到HB后沿x軸生長(zhǎng)可引發(fā)短路,e較大時(shí)枝晶遇到HB后沿y軸生長(zhǎng)從而避免短路,e處于中間值時(shí)沿與x軸呈一定角度生長(zhǎng)可延遲短路時(shí)間;這是由不同e下枝晶生長(zhǎng)尖端的應(yīng)力分布狀態(tài)決定的(圖2c),σyy較大使得枝晶沿x軸生長(zhǎng),σxy與σxx亦同理。

14ee1226-27db-11ed-ba43-dac502259ad0.png

圖2 不同特征長(zhǎng)度下HB對(duì)枝晶生長(zhǎng)的影響

隨后,本文總結(jié)了加入單個(gè)HB后鋰枝晶引起的短路風(fēng)險(xiǎn)隨HB特征長(zhǎng)度e的變化(圖3),并區(qū)分出三個(gè)特征長(zhǎng)度區(qū)域:小e(0~0.1),中e(0.1~0.18),大e(0.18~1)。當(dāng)使用單個(gè)HB時(shí),大e能使得枝晶完全改變方向從而避免短路,小e和中e則只能延長(zhǎng)枝晶生長(zhǎng)路徑而延遲短路的發(fā)生。

14fa8f10-27db-11ed-ba43-dac502259ad0.png

圖3 短路風(fēng)險(xiǎn)隨HB特征長(zhǎng)度的變化

2.2 多個(gè)HB影響

當(dāng)使用單個(gè)HB時(shí)小中e無(wú)法完全避免短路,那么多個(gè)HB的組合能否完全避免短路?下面,本文研究了不同的HB排列形式。

多個(gè)小e HB排布:相鄰兩列有兩種排列方式,即A1(平行)與A2(錯(cuò)開(kāi))(圖4a)。結(jié)果表明A1與A2均無(wú)法阻止枝晶朝正極生長(zhǎng),只能延長(zhǎng)枝晶生長(zhǎng)途徑而推遲短路的發(fā)生,其中A2的減緩效果更為明顯(圖4b)。

152fc946-27db-11ed-ba43-dac502259ad0.png

圖4 多個(gè)小e HB的排布對(duì)枝晶生長(zhǎng)的減緩作用

多個(gè)中e HB排布:相鄰兩列也有兩種排列方式,即A3(平行)與A4(錯(cuò)開(kāi))(圖5a)。結(jié)果表明當(dāng)采用A3排布時(shí),第二列HB能使枝晶的生長(zhǎng)方向從x軸改向y軸,從而避免了枝晶沿x軸生長(zhǎng)引起的短路;而在A4的排布形式下,突破第一列HB的枝晶也能透過(guò)第二列HB的縫隙,因此A4只能延緩短路的發(fā)生但不能避免(圖5a)。本文總結(jié)了關(guān)鍵的排列參數(shù),包括HB的長(zhǎng)度、同列HB之間的縫隙、不同列HB的間距,隨后進(jìn)行了一系列參數(shù)化研究,并得到不同排列參數(shù)組合對(duì)短路風(fēng)險(xiǎn)的影響(圖5b)。

15397540-27db-11ed-ba43-dac502259ad0.png

圖5 多個(gè)中e HB的排布對(duì)枝晶生長(zhǎng)的減緩作用

3. 多層電解質(zhì)結(jié)構(gòu)對(duì)枝晶生長(zhǎng)的影響

極限情況下,當(dāng)HB的特征長(zhǎng)度達(dá)到1時(shí),可以得到多層電解質(zhì)結(jié)構(gòu)(圖6)。對(duì)于多層電解質(zhì),這里主要利用層與層之間的機(jī)械錯(cuò)配來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)枝晶生長(zhǎng)的減緩效果。結(jié)果表明,嵌入層(EL)具備與電解質(zhì)主體(LLZO,E=150GPa)差別較大的楊氏模量時(shí)起到更好的延緩枝晶效果(圖6a),本文選取EEL=50GPa。在EL具有相同總厚度時(shí),更多的層數(shù)具有更好的延緩短路作用(對(duì)比圖6b與6c)。在單層EL、不同厚度時(shí),厚度越大的EL具有更好的枝晶抑制效果(更晚的短路觸發(fā)時(shí)間)(對(duì)比圖6b與6d)。

15479c6a-27db-11ed-ba43-dac502259ad0.png

圖6 多層電解質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)枝晶生長(zhǎng)的減緩作用

【結(jié)論】

鋰枝晶生長(zhǎng)引起的短路安全問(wèn)題是固態(tài)電池成功商業(yè)化需要解決的主要問(wèn)題之一。受珍珠層狀磚混結(jié)構(gòu)增韌機(jī)制的啟發(fā),本文提出了將異構(gòu)塊添加到固態(tài)電解質(zhì)中的策略,并在可實(shí)用電流密度(~2 mA/cm2)下使用建立的多物理場(chǎng)模型評(píng)估枝晶生長(zhǎng)減緩效果。通過(guò)考慮HB長(zhǎng)度、排列方法和多層設(shè)計(jì)來(lái)綜合研究在電解質(zhì)中添加HBs對(duì)抑制枝晶的影響。本文發(fā)現(xiàn),HB特征長(zhǎng)度e決定了單個(gè)HB的枝晶抑制效果;多個(gè)中e HB通過(guò)特定的排列方式可以充分抑制枝晶穿透,而多個(gè)小e HB只能延長(zhǎng)枝晶生長(zhǎng)路徑從而延遲短路時(shí)間;多層SE結(jié)構(gòu)顯示出減少枝晶和延遲短路的良好前景。綜合研究發(fā)現(xiàn),提出以下電解質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)抑制枝晶生長(zhǎng)的機(jī)制圖:

157152b2-27db-11ed-ba43-dac502259ad0.png

圖7 電解質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)減緩枝晶生長(zhǎng)的機(jī)制圖

審核編輯:彭靜
聲明:本文內(nèi)容及配圖由入駐作者撰寫(xiě)或者入駐合作網(wǎng)站授權(quán)轉(zhuǎn)載。文章觀點(diǎn)僅代表作者本人,不代表電子發(fā)燒友網(wǎng)立場(chǎng)。文章及其配圖僅供工程師學(xué)習(xí)之用,如有內(nèi)容侵權(quán)或者其他違規(guī)問(wèn)題,請(qǐng)聯(lián)系本站處理。 舉報(bào)投訴
  • 短路
    +關(guān)注

    關(guān)注

    5

    文章

    604

    瀏覽量

    31860
  • 固態(tài)電池
    +關(guān)注

    關(guān)注

    10

    文章

    728

    瀏覽量

    28790
  • 固態(tài)電解質(zhì)

    關(guān)注

    0

    文章

    86

    瀏覽量

    5626

原文標(biāo)題:UNC Charlotte大學(xué)許駿教授團(tuán)隊(duì):異質(zhì)增強(qiáng)體減緩固態(tài)電解質(zhì)中鋰枝晶穿透風(fēng)險(xiǎn)

文章出處:【微信號(hào):Recycle-Li-Battery,微信公眾號(hào):鋰電聯(lián)盟會(huì)長(zhǎng)】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。

收藏 人收藏
加入交流群
微信小助手二維碼

掃碼添加小助手

加入工程師交流群

    評(píng)論

    相關(guān)推薦
    熱點(diǎn)推薦

    固體電解質(zhì)的物理性質(zhì)如何?

    固態(tài)的離子導(dǎo)體。有些具有接近、甚至超過(guò)熔鹽的高的離子電導(dǎo)率和低的電導(dǎo)激活能,這些固體電解質(zhì)常稱(chēng)為快離子導(dǎo)體(fast ion conductor;FIC)。
    發(fā)表于 09-17 09:10

    如何Crosswalk添加到Cordova應(yīng)用程序

    英特爾開(kāi)源技術(shù)中心的Bob Spencer解釋了如何Crosswalk添加到Cordova應(yīng)用程序,以提供具有世界級(jí)性能的可預(yù)測(cè)運(yùn)行時(shí)。
    的頭像 發(fā)表于 11-07 06:37 ?2620次閱讀

    日本固態(tài)電池新材料可解決固態(tài)電解質(zhì)的選材問(wèn)題

    關(guān)于固態(tài)電池的技術(shù)問(wèn)題,現(xiàn)在主要就是在固態(tài)電解質(zhì),不用液態(tài)電解質(zhì)固然降低電池重量和體積,可是固態(tài)材料的接觸面積遠(yuǎn)不如前者,離子流動(dòng)性也要遜色
    的頭像 發(fā)表于 12-30 17:06 ?3834次閱讀

    基于溶液制造固態(tài)電池電解質(zhì)

    比起易燃的有機(jī)電解液,固態(tài)無(wú)機(jī)電解質(zhì)本身不易燃;而且,用鋰金屬代替石墨作為負(fù)極,可使電池的能量密度大幅提升(高達(dá)10倍)。因此,固態(tài)電池有望成為電動(dòng)汽車(chē)的突破性技術(shù)。
    的頭像 發(fā)表于 03-23 16:40 ?2242次閱讀

    電池電解液和電解質(zhì)的區(qū)別_電池電解液和電解質(zhì)的兩種形態(tài)

    電解質(zhì)電解液不是一樣的,電解液包含電解質(zhì),因?yàn)?b class='flag-5'>電解質(zhì)是固態(tài),一般是指離子狀態(tài)的物質(zhì),
    發(fā)表于 04-16 09:40 ?2.5w次閱讀

    寧德時(shí)代公開(kāi)“一種固態(tài)電解質(zhì)的制備方法”專(zhuān)利

    申請(qǐng)?zhí)峁┝艘环N固態(tài)電解質(zhì)的制備方法,包括:鋰前體、中心原子配體分散于有機(jī)溶劑,形成反應(yīng)初混液;硼酸酯分散于有機(jī)溶劑
    的頭像 發(fā)表于 01-20 17:23 ?3626次閱讀
    寧德時(shí)代公開(kāi)“一種<b class='flag-5'>固態(tài)</b><b class='flag-5'>電解質(zhì)</b>的制備方法”專(zhuān)利

    簡(jiǎn)述鋰枝晶穿過(guò)陶瓷固態(tài)電解質(zhì)的機(jī)制及緩解策略

    ? 研究表明,相比傳統(tǒng)的鋰離子電池,使用鋰金屬作為負(fù)極和陶瓷作為固態(tài)電解質(zhì)固態(tài)電池,具有更高安全性和能量密度。然而,在實(shí)際電流密度下金屬鋰進(jìn)行沉積時(shí),往往會(huì)穿透固態(tài)
    的頭像 發(fā)表于 04-29 10:20 ?3878次閱讀
    簡(jiǎn)述鋰枝晶穿過(guò)陶瓷<b class='flag-5'>固態(tài)</b><b class='flag-5'>電解質(zhì)</b>的機(jī)制及緩解<b class='flag-5'>策略</b>

    原位固態(tài)化聚合物電解質(zhì)基高性能準(zhǔn)固態(tài)軟包鋰電池

    采用固態(tài)電解質(zhì)代替易燃液體電解質(zhì)可提高電池的安全性。近年來(lái),已開(kāi)發(fā)出多種固態(tài)電解質(zhì)(SSEs),包括硫化物、氧化物、鹵化物、反鈣鈦礦和聚合物
    的頭像 發(fā)表于 06-22 14:30 ?9689次閱讀

    聚合物固態(tài)電解質(zhì)的合理設(shè)計(jì)

    對(duì)最近為高性能全固態(tài)鋰電池應(yīng)用而設(shè)計(jì)的聚合物基電解質(zhì)方法進(jìn)行了回顧和討論。這里顯示了最新的不同設(shè)計(jì)方法,包括:添加劑納入聚合物基體,聚合物基體的結(jié)構(gòu)改性,以及鋰鹽分子設(shè)計(jì)。
    發(fā)表于 08-18 10:12 ?1684次閱讀

    鈉離子電池的電解質(zhì)分類(lèi)

    固態(tài)電解質(zhì)材料主要包括三種類(lèi)型:無(wú)機(jī)固態(tài)電解質(zhì)、聚合物固態(tài)電解質(zhì)、復(fù)合
    發(fā)表于 10-09 09:14 ?5651次閱讀

    改變電解質(zhì)分布調(diào)控固態(tài)界面實(shí)現(xiàn)高性能固態(tài)電池

    固-固界面是高性能固態(tài)電池面臨的主要挑戰(zhàn),固體電解質(zhì)(SE)尺寸分布在固態(tài)電池有效界面的構(gòu)筑起著至關(guān)重要的作用。然而,同時(shí)改變復(fù)合正極層和電解質(zhì)
    的頭像 發(fā)表于 10-21 16:03 ?3144次閱讀

    固態(tài)電池電解質(zhì)的分類(lèi)及性能對(duì)比

    固態(tài)電池與現(xiàn)今普遍使用的鋰電池不同的是:固態(tài)電池使用固體電極和固體電解質(zhì)。固態(tài)電池的核心是固態(tài)電解質(zhì)
    的頭像 發(fā)表于 11-30 09:14 ?1.8w次閱讀

    高電壓穩(wěn)定的固態(tài)電解質(zhì)實(shí)現(xiàn)高能量、高安全的固態(tài)鋰金屬電池

    要點(diǎn)一:高壓固態(tài)電解質(zhì)的概念,常見(jiàn)測(cè)試方法與高壓分解機(jī)制。文章針對(duì)高壓穩(wěn)定的基礎(chǔ)概念與常見(jiàn)理論/實(shí)踐模型進(jìn)行了討論(圖2)。此外,還對(duì)常用高壓穩(wěn)定固態(tài)電解質(zhì)測(cè)試方法進(jìn)行了概述,為更準(zhǔn)確
    的頭像 發(fā)表于 03-27 11:41 ?1692次閱讀

    固態(tài)電解質(zhì)電導(dǎo)性 (Solid系列)

    目前液體鋰電池已幾乎接近極限,固態(tài)鋰電池是鋰電發(fā)展的必經(jīng)之路(必然性)。 與傳統(tǒng)液體電解質(zhì)不同,對(duì)于固態(tài)電解質(zhì)電化學(xué)性能的評(píng)價(jià)需要新的方法與評(píng)價(jià)維度。新發(fā)布實(shí)施的T/SPSTS 01
    的頭像 發(fā)表于 06-25 16:43 ?1385次閱讀
    <b class='flag-5'>固態(tài)</b><b class='flag-5'>電解質(zhì)</b>電導(dǎo)性 (Solid系列)

    關(guān)于固態(tài)電解質(zhì)的基礎(chǔ)知識(shí)

    固態(tài)電解質(zhì)在室溫條件下要求具有良好的離子電導(dǎo)率,目前所采用的簡(jiǎn)單有效的方法是元素替換和元素?fù)诫s。
    的頭像 發(fā)表于 01-19 14:58 ?2.1w次閱讀
    關(guān)于<b class='flag-5'>固態(tài)</b><b class='flag-5'>電解質(zhì)</b>的基礎(chǔ)知識(shí)