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    島津原子力顯微鏡——全固態鋰電池電極研究

    時間:2022-9-27 閱讀:161

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    9月12日,據國外媒體報道,哈佛大學約翰·A·保爾森工程與應用科學學院(SEAS)材料科學副教授XinLi實驗室的工程師們,開發出了一種新型固態鋰電池,其壽命周期可達1萬次,充電速度最快三分鐘。

     

    固態電池是指采用固態電解質的鋰離子電池,不含有任何液體。相比傳統的液態鋰離子電池,固態電池具有以下優勢。首先安全性能高,固體電解質取代可燃的液體電解質,且固體電解質有望克服鋰枝晶的產生;其次能量密度高,負極可采用鋰金屬負極,極大提高能量密度;再次循環壽命長,可避免液體電解質再充放電過程中持續形成和生長固體電解質界面膜,理論上循環壽命可提高10倍以上;此外,固態電池電化學窗口寬達5V,高于液態鋰離子電池的4.25V,適用于高電壓正極材料;最后,固態電池無廢液,處理相對簡單,回收更加方便。

     

    當然,固態電池技術也存在一些很棘手的問題。粉體顆粒在電池充放電循環中會發生體積膨脹與收縮,由于不含有液體,因此顆粒與顆粒之間、層與層之間容易產生縫隙,帶來接觸不良,影響離子和電子的傳輸,電池內阻就會增加,在充放電過程中就會發生極化問題,導致倍率性能下降。

     

    因此,對固態電池的測試,除了要觀察其形貌外,更重要的是獲得表面形貌與其導電性之間的聯系,分析不同形態與聚集狀態對其工作狀態的影響。

     

    為此,設定實驗對兩種固態電池材料進行分析,分別是鈷酸鋰(LiCoO2:以下稱為LCO)和鈦酸鋰(Li4Ti5O12:以下稱為LTO)。為了模擬固態電池內部工作環境,使用環境控制艙調節氣氛,氧氣0.7ppm或更少,水蒸氣0.75ppm或更少。

     

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    30微米范圍內LCO形貌圖像與電流分布圖像

     

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    30微米范圍內LTO形貌圖像與電流分布圖像

     

    30微米LCO形貌圖像和30微米LTO形圖像均顯示出2μm左右的高度差,并且表面粗糙度(Sa)分析顯示,二者分別為341.5nm和333.6nm,非常相近。在LCO中還發現了幾個缺口。相比之下,在LTO中沒有發現間隙,表面較為完整。

     

    30微米LCO電流分布圖像中,表面電流分布不均勻,在41.7%的面積上檢測到電流(使用顆粒分析軟件分析)。在30微米LTO電流分布圖像中,沒有檢測到電流,可能的原因是在未充電狀態下LTO具備高電阻特性。

     

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    5微米范圍內LCO形貌圖像、電流分布圖像、粘性力分布圖像

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    5微米范圍內LCO形貌圖像、電流分布圖像、粘性力分布圖像

     

    5微米LCO形貌圖像顯示該電極材料中的晶粒尺寸約為2-5微米左右,并且它們之間存在間隙。同時也存在幾百納米大小的顆粒,如箭頭所示。LTO形貌圖像顯示電極材料為板狀晶體結構,箭頭所示。

     

    5微米LCO電流分布圖像中,可發現電流在黃色虛線的左右兩側明顯不同。對比5微米LCO形貌圖像,可推測黃色虛線是裂縫的邊界。此外,很明顯箭頭所指的幾個幾百納米大小的晶粒處沒有電流。推測其原因是這些顆粒因破碎脫落隔離于其他材料,未能形成電流通路。在5微米LTO電流分布圖像中依然沒有檢測到電流。

     

    對比以上圖像發現,5微米LCO粘性力圖像與5微米LCO形貌圖像和5微米LCO電流圖像中的分布相關。同時5微米LTO粘性力圖像與5微米LTO形貌圖像中的板狀晶體(箭頭所示)分布相關。通常,粘性力被認為是由毛細力、范德華力或樣品表面水膜導致的電荷聚集引起的。然而,在本次測量中,水蒸氣濃度為75ppm或更低,因此毛細力的影響很小。所以,粘性力圖像可能代表范德華力或電荷力,這兩種力可被用于展示電極材料的組成分布。

     

    根據上述信息,很可能LCO電流分布反映了材料的成分分布,并且電流的路徑受晶粒之間的裂紋或間隙影響。LTO在這種情況下無法獲得電流圖像,可嘗試充電以降低其內阻,然后進行測量。

     

    利用環境控制艙使被測樣品不暴露于空氣的情況下測量全固態鋰電池電極材料,可獲得形貌圖像、電流分布圖像和粘性力圖像。綜合分析這三種圖像,可用于解決全固態鋰電池界面電阻的檢測問題。

     

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    本文內容非商業廣告,僅供專業人士參考。

     

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