牛津大学的研究可能为电动汽车和航空业带来"改变游戏规则"的电池

牛津大学的研究人员发现了锂金属固态电池 (Li-SSB) 失效的原因，这可能为改进电动汽车电池铺平道路。 该团队发现“枝晶”的形成和生长会导致电池短路，这些见解可能有助于解决固态电池开发中的技术障碍。

牛津大学研究人员领导的一项新研究于 6 月 7 日发表在《自然》杂志上，这要归功于显着改进的电动汽车 (EV) 电池可能更近一步。 使用先进的成像技术揭示了导致锂金属固态电池 (Li-SSB) 失效的机制。 如果可以克服这些问题，使用锂金属阳极的固态电池可以在电动汽车电池续航里程、安全性和性能方面实现阶跃式改进，并有助于推动电动航空的发展。

该研究的共同主要作者之一、牛津大学材料系博士生 Dominic Melvin 表示：“用锂金属阳极开发固态电池是电池技术进步面临的最重要挑战之一。虽然今天的锂离子电池将继续改进，但对固态电池的研究有可能获得高回报和改变游戏规则的技术。”

Li-SSB 与其他电池不同，因为它们用固体电解质代替了传统电池中易燃的液体电解质，并使用锂金属作为阳极（负极）。 固体电解质的使用提高了安全性，而锂金属的使用意味着可以储存更多的能量。 然而，Li-SSB 面临的一个关键挑战是，由于“枝晶”的生长，它们在充电时容易发生短路：锂金属细丝会穿透陶瓷电解质。 作为法拉第研究所 SOLBAT 项目的一部分，牛津大学材料、化学和工程科学系的研究人员领导了一系列深入调查，以更多地了解这种短路是如何发生的。

X 射线计算机断层扫描图像显示充电过程中固态电池内锂枝晶裂纹的逐渐生长。 图片来源：Dominic Melvin，《自然》，2023 年。

在这项最新研究中，该小组在 Diamond Light Source 使用了一种称为 X 射线计算机断层扫描的先进成像技术，以前所未有的细节可视化充电过程中的枝晶引发的失效。 新的成像研究表明，枝晶裂纹的萌生和传播是独立的过程，由不同的潜在机制驱动。 当锂在次表层孔隙中积累时，枝晶裂纹就开始了。 当孔变满时，电池的进一步充电会增加压力，导致破裂。 相比之下，传播发生在锂仅部分填充裂缝的情况下，通过楔形开口机制驱动裂缝从后面打开。

这种新的理解为克服 Li-SSB 的技术挑战指明了方向。 Dominic Melvin 说：“例如，虽然锂阳极的压力可以很好地避免放电时在与固体电解质的界面处形成间隙，但我们的结果表明，压力过大可能是有害的，使枝晶生长和短路 更有可能充电。”

Wolfson Chair、牛津大学材料学教授、法拉第研究所首席科学家、该研究的通讯作者彼得·布鲁斯爵士说：“锂等软金属穿透高密度硬陶瓷的过程 事实证明，电解质具有挑战性，世界各地的优秀科学家做出了许多重要贡献。 我们希望我们获得的额外见解将有助于固态电池研究朝着实用设备的方向发展。”

根据法拉第研究所最近的一份报告，到 2040 年，SSB 可以满足全球消费电子产品电池需求的 50%、交通运输领域的 30% 和飞机的 10% 以上的需求。

法拉第研究所首席执行官 Pam Thomas 教授说：“SOLBAT 研究人员继续发展对固态电池失效的机理理解——这是在汽车应用中实现具有商业相关性能的高功率电池之前需要克服的一个障碍。 该项目正在告知电池制造商可能用来避免该技术电池故障的策略。 这项以应用为灵感的研究是法拉第研究所旨在推动的科学进步类型的一个典型例子。”