全固態電池新進展：日本團隊解決「接觸不良」問題，還提出配套無損檢測方法

Pine 2022-12-11 13:00:58 來源：量子位

Pine 發自 凹非寺

量子位 | 公眾號 QbitAI

不用破壞電動汽車的電池也能夠檢測它的健康狀況。

這個方法是日本研究團隊為電動汽車下一代電池：全固態鋰金屬電池開發出來的。

全固態鋰金屬電池可以提供更高的能量密度、安全性和更低的復雜性。

但同時它也有個很嚴重的問題：退化嚴重，這也是其沒有推向市場的一個重要原因。

而在以往，要了解這個電池的退化原因都得剖開電池。

現在不僅不用了，而且他們還解決了全固態鋰金屬電池電極與電解質材料之間的接觸問題，研究成果已經發表在ACS Applied Materials & Interfaces上。

具體如何？一起來看看吧。

全固態鋰金屬電池

在全固態鋰金屬電池中，很多設計的電極和電解質材料都是脆性陶瓷，這就導致它們之間很難有良好的接觸。

換句話說，就是電極和固體電解質之間具有大界面電阻，這會對電池的性能產生很大的影響。

對于這個問題，研究人員提出了一種方法：氣溶膠沉積。

通俗來講，就是在陶瓷固體電解質上沉積一層陰極膜，這層膜會減小電極和固體電解質之間的電阻。

那么在這個過程中，陰極材料是如何沉積在固體電解質上的呢？

其實很簡單，就是把微小的陰極材料塊加速到陶瓷電解質材料上，它們之間發生撞擊會形成一層致密的膜。

但在撞擊的過程中，陰極材料塊會不可避免地產生裂紋。

為了解決這種狀況，研究人員在撞擊到在陶瓷電解質的大塊陰極材料上涂了一種較軟的低熔點材料，這種材料可以進行熱處理，從而在新形成的陰極和電解質之間產生良好的接觸。

使用氣溶膠沉積技術最終制備得出的全固態鋰金屬電池，在30次循環后，其容量保持率高達87%?（膜厚度為4.3微米），這代表了陶瓷氧化物電解質全固態鋰金屬電池的最佳效果。

雖然這已經是同種類型電池的最佳效果了，但對于電動汽車來說還遠遠不夠。

因此了解為什么電池容量這么快退化是解決這個問題的第一步。

對此，研究人員也開發了一種新的檢測方法：電化學阻抗譜，在不破壞電池的情況下也能夠檢測出電池的健康狀況。

用電信號來檢測電池健康

電化學阻抗譜（EIS）是一種在電化學中廣泛使用的檢測工具。

它是通過向電池輸入不同頻率的電信號，觀察電池各個接口的響應，以此來判斷這些接口范圍的電阻。

電阻變大就是電池性能下降的主要原因。

在研究人員制作出的新的全固態鋰金屬電池（下圖）中，LBO-LCO就是固態電解質上沉積的那一層膜。

對整個電池的各個接口進行電化學阻抗譜測試，發現隨著電池使用循環次數的增加，電解質上那層膜的電阻就越來越大。

這里的電阻增大，就會導致電解質與電極之間的有效接觸變小，電池的性能，即容量保持率也隨之降低。

也就是說，固體電解質上的膜是電池容量下降的“罪魁禍首”。

為了驗證電化學阻抗譜檢測電池健康的有效性，研究人員還使用原位電子顯微鏡驗證了這一點。

在顯微鏡下，可以清楚地看到固體電解質上的膜出現了明顯的裂紋，這會導致其電阻進一步增大。

這兩種方法得出的結論一致，這也進一步證明電化學阻抗譜可以作為檢測電池健康的有效方法，對于未來進一步改進固態電池的性可以提供有效的參考。

目前，這項工作已經得到了日本科學技術廳（JST）的先進低碳技術研究和開發計劃（ALCA）的支持。

參考鏈接：
[1]https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c09841#
[2]https://www.eurekalert.org/news-releases/964632