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固態電池鋰枝晶解決的理論方法

全固態電池研究過程中遇到的第一個難題就是鋰枝晶問題,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,所形成的樹杈狀的鋰離子結晶體,這些結晶體在放電倍率超過電池設計上限以及長期的充放電循環中均有可能出現。而鋰枝晶一旦出現,則意味著電池內部的鋰離子出現了不可逆的減少,同時鋰枝晶會不斷吸附游離的鋰離子實現生長,最終可能會刺破隔膜,導致電池正負極直接產生接觸引發短路。

面對這一難題,有廠家提出了解決的理論方法:

1、銀碳復合材料層

在硫化物固態電解質與負極材料之間,添加了一層銀碳復合材料層。

其充電過程中的工作原理,是在鋰離子通過電解質抵達負極最終沉積的過程中,使鋰離子與銀碳材料層中間的銀離子實現結合,降低鋰離子的成核能(可簡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題,但為了盡可能減少鋰枝晶的形成,還需要對電池中過量的鋰進行削減。

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,在固態電池中并不適用。過量的鋰在高電壓的作用下很可能會自發聚集,形成鋰枝晶。

因此,在全固態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、輝石型硫化物固態電解質

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

在全固態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電解質,其鋰離子遷移數較一般電解質更大,不容易使鋰離子沉積其中,因此也能夠抑制鋰枝晶的形成。

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

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