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固態(tài)電池鋰枝晶解決的理論方法

全固態(tài)電池研究過(guò)程中遇到的第一個(gè)難題就是鋰枝晶問(wèn)題,鋰枝晶的形成對于所有的鋰電池而言,都是不得不面對的問(wèn)題。其生成原理是鋰離子在負極與電解液中的不均勻沉積,所形成的樹(shù)杈狀的鋰離子結晶體,這些結晶體在放電倍率超過(guò)電池設計上限以及長(cháng)期的充放電循環(huán)中均有可能出現。而鋰枝晶一旦出現,則意味著(zhù)電池內部的鋰離子出現了不可逆的減少,同時(shí)鋰枝晶會(huì )不斷吸附游離的鋰離子實(shí)現生長(cháng),最終可能會(huì )刺破隔膜,導致電池正負極直接產(chǎn)生接觸引發(fā)短路。

面對這一難題,有廠(chǎng)家提出了解決的理論方法:

1、銀碳復合材料層

在硫化物固態(tài)電解質(zhì)與負極材料之間,添加了一層銀碳復合材料層。

其充電過(guò)程中的工作原理,是在鋰離子通過(guò)電解質(zhì)抵達負極最終沉積的過(guò)程中,使鋰離子與銀碳材料層中間的銀離子實(shí)現結合,降低鋰離子的成核能(可簡(jiǎn)單理解為聚集在一起的能力),從而使鋰離子均勻地沉積在負極材料上。

2、SUS集電器負極

銀碳復合材料層很大程度上解決了鋰離子不均勻沉積的問(wèn)題,但為了盡可能減少鋰枝晶的形成,還需要對電池中過(guò)量的鋰進(jìn)行削減。

是因為被盛傳適合作為高能量密度(3,860mAhg1)負極材料的金屬鋰,在固態(tài)電池中并不適用。過(guò)量的鋰在高電壓的作用下很可能會(huì )自發(fā)聚集,形成鋰枝晶。

因此,在全固態(tài)電池解決方案中使用不含鋰的不銹鋼(SUS)集電器作為負極,作為鋰離子的沉積載體和電池的結構體,SUS材料的機械強度十分可靠。并且由于負極材料不含鋰,也能夠抑制鋰枝晶的形成。

3、輝石型硫化物固態(tài)電解質(zhì)

鋰枝晶形成的另一處位置是電解質(zhì),由于傳統電解質(zhì)鋰離子遷移數通常為0.5,過(guò)量放電造成的大量鋰離子遷移會(huì )使鋰離子沉積在離子通道內,在長(cháng)期的循環(huán)中有可能形成鋰枝晶。

在全固態(tài)電池解決方案中使用鋰離子遷移數為1的輝石型硫化物固態(tài)電解質(zhì),其鋰離子遷移數較一般電解質(zhì)更大,不容易使鋰離子沉積其中,因此也能夠抑制鋰枝晶的形成。

據相關(guān)媒體報道,通過(guò)上述的固態(tài)電池鋰枝晶解決理論方法,有效避免了鋰枝晶的形成,在其數千次的循環(huán)試驗中,采用這一方案的固態(tài)電池沒(méi)有形成鋰枝晶。

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