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全固态锂电池:美国麻省理工学院的团队第一次探索了硫化物基固体电解质材料的机械性能,以确定其结合到电池中时的机械应力表现

2017-02-06 420浏览 标签: 美国固态锂电池

2017年2月2日,美国麻省理工学院介绍了其一个团队在固态锂硫电池研究方面的工作成果。该团队第一次探索了硫化物基固体电解质材料的机械性能,以确定其结合到电池中时的机械应力表现。这项工作得到了美国能源部基础能源科学办公室的支持,相关成果在近期的Advanced Energy Materials杂志上发表。


图: 团队使用锥形探针压进一块硫化物基材料的表面,通过材料在所得压痕(图中心处)周围出现的裂纹(由箭头指示),揭示其机械性能的细节(图片来自麻省理工学院)


最先进的锂离子电池的循环寿命主要受液体电解质的化学及电化学稳定性以及其与电极的相互作用情况的限制。相比于传统的液体电解质锂电池,固体电解质电池可以提供更大的能量储存能力,并可以基本上消除电解质生成金属凸刺扎穿隔膜导致短路的风险,这种可以提高电池能量密度和安全性的选择也因此备受关注。然而,使用这种全固体电池的最大问题在于,当电极反复充电和放电时,电解质材料内可能发生什么样的机械应力。材料随着应力产生的机械降解情况将影响电池的稳定性和耐久性,因此,了解固态电解质的机械性能是非常重要的。

硫化物作为全固态电池电解质的优秀候选之一,到目前为止,其对空气的极端敏感性为对其的机械性能测量带来了挑战。为了规避这个问题,麻省理工学院的研究团队成员在矿物油浴中进行了材料的机械测试,保护样品免受与空气或水分等化学物质的相互作用。团队使用了特殊的测量技术,使用该技术,他们获得了硫化物机械性能的详细测量,测量内容包括了很多此前无法量化的重要性能,比如硬度、断裂韧性和杨氏模量等,其中的断裂相关性能对于预测材料在电池应用中的破裂或破碎是至关重要的。

研究人员发现,该材料在经受应力时,可以容易地变形,在足够高的应力下,它可以像脆性玻璃片一样裂开。通过详细了解这些属性,研究人员可以计算材料在断裂之前能承受多大的应力,并且在设计电池系统时考虑到这些信息。

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