研究人员探讨如何避免电池锂枝晶穿透现象

盖世汽车讯 随着消费者需求的增长，工程师们需要在保持甚至提高电池容量的同时，设计出更加紧凑的电池。从理论上看，在不把充电电流密度提高到临界点(即极限电流密度)的情况下，电池容量似乎还有很大的增长空间。超过临界点，电池才会短路。然而，在当前的电池工作密度（即在限定的时间内通过特定区域的电荷量）下，虽然该数值远低于临界点，电池已经失效。

WUSTL

据外媒报道，华盛顿大学麦凯维工程学院（McKelvey School of Engineering）助理教授Peng Bai的实验室研究表明，不仅可以使电池在电流密度接近临界点时才发生短路，而且能够精确预测任一特定电流密度下的短路时间。

导致锂电池失效的原因有很多，其中一个问题由来已久，即高电流密度下出现的枝晶穿透现象。锂枝晶是一种树形结构，形成于电池的锂镀层上。它们可以迅速穿过电池的陶瓷隔膜，即电池正极和负极之间的多孔塑料膜。一旦枝晶穿过隔膜，电池就会短路。枝晶生长取决于电流密度，当电流密度高于预期或设计的3个数量级时，电池中会出现枝晶。在之前的研究中，研究人员打开电池，会看到隔膜上的黑点，那就是枝晶穿透隔膜的位置。

主要研究人员Youngju Lee进行同样的研究，分析黑点覆盖的区域。结果发现，它们占隔膜总面积的0.1%，这意味着对应的电流要比预期值高1000倍。在没有达到临界电流密度的情况下，电池怎么会短路，这是一个谜题。Bai说：“在设计电池时，我们使用电极或隔膜的整个面积来计算电流密度。”但是，高电流密度是局部发生的。

研究人员利用一种独特的、透明的微管电芯，来观察锂金属生长动态，通过隔膜孔，重建实际的金属刺穿动态过程。Bai说：“我们发现它比我们想象的更复杂，它对通道的几何形状非常敏感。”他们发现，从本质上看，具有收敛截面面积的单一电解液通道，以及有效实用的隔膜（在金属生长方向上可能导致穿透孔越来越少），将加速并加剧这种动态，导致电池更快短路。Lee说：“如果你拥有扩张的通道，你可以延迟甚至避免枝晶形成。这就是我们的发现。”

研究人员不仅描述了这种关系，而且用一个数字来表达。Lee表示：“物理量、电流密度和短路时间非常重要，这个数字定义了它们之间的关系。”如果这个数字(Sand公式中的指数)小于负2，那么你就会拥有更安全的锂离子电池。如果高于负2，比如-1.5，那就不好了。Bai说：“你的电池会很快短路，早于标准模型预测的时间。”

Bai 指出，“人们很容易将电池失效归咎于枝晶穿透，但更重要的是，要彻底理解实际情况下的动态。然而，我们从未做过的是，能够一致地预测所有电流密度下的所有短路时间。

“我们找到了一种方法，不仅更加精确，而且可以进行预测，因为我们知道这个系统的真实物理状态。因此，我们可以依靠这个单一的数字，即Sand的时间指数，来评估隔膜的安全水平，并指导优化，使其小于-2，这样我们就可以避免枝晶全部穿透。”