全固態(tài)電池新進(jìn)展：日本團(tuán)隊(duì)解決「接觸不良」問題，還提出配套無(wú)損檢測(cè)方法
用電信號(hào)就能檢測(cè)
Pine 發(fā)自 凹非寺
量子位 | 公眾號(hào) QbitAI
不用破壞電動(dòng)汽車的電池也能夠檢測(cè)它的健康狀況。
這個(gè)方法是日本研究團(tuán)隊(duì)為電動(dòng)汽車下一代電池：全固態(tài)鋰金屬電池開發(fā)出來(lái)的。
全固態(tài)鋰金屬電池可以提供更高的能量密度、安全性和更低的復(fù)雜性。
但同時(shí)它也有個(gè)很嚴(yán)重的問題：退化嚴(yán)重，這也是其沒有推向市場(chǎng)的一個(gè)重要原因。
而在以往，要了解這個(gè)電池的退化原因都得剖開電池。
現(xiàn)在不僅不用了，而且他們還解決了全固態(tài)鋰金屬電池電極與電解質(zhì)材料之間的接觸問題，研究成果已經(jīng)發(fā)表在ACS Applied Materials & Interfaces上。
具體如何？一起來(lái)看看吧。
全固態(tài)鋰金屬電池
在全固態(tài)鋰金屬電池中，很多設(shè)計(jì)的電極和電解質(zhì)材料都是脆性陶瓷，這就導(dǎo)致它們之間很難有良好的接觸。
換句話說(shuō)，就是電極和固體電解質(zhì)之間具有大界面電阻，這會(huì)對(duì)電池的性能產(chǎn)生很大的影響。
對(duì)于這個(gè)問題，研究人員提出了一種方法：氣溶膠沉積。
通俗來(lái)講，就是在陶瓷固體電解質(zhì)上沉積一層陰極膜，這層膜會(huì)減小電極和固體電解質(zhì)之間的電阻。
那么在這個(gè)過程中，陰極材料是如何沉積在固體電解質(zhì)上的呢？
其實(shí)很簡(jiǎn)單，就是把微小的陰極材料塊加速到陶瓷電解質(zhì)材料上，它們之間發(fā)生撞擊會(huì)形成一層致密的膜。
但在撞擊的過程中，陰極材料塊會(huì)不可避免地產(chǎn)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(zhì)的大塊陰極材料上涂了一種較軟的低熔點(diǎn)材料，這種材料可以進(jìn)行熱處理，從而在新形成的陰極和電解質(zhì)之間產(chǎn)生良好的接觸。
使用氣溶膠沉積技術(shù)最終制備得出的全固態(tài)鋰金屬電池，在30次循環(huán)后，其容量保持率高達(dá)87%?（膜厚度為4.3微米），這代表了陶瓷氧化物電解質(zhì)全固態(tài)鋰金屬電池的最佳效果。
雖然這已經(jīng)是同種類型電池的最佳效果了，但對(duì)于電動(dòng)汽車來(lái)說(shuō)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。
因此了解為什么電池容量這么快退化是解決這個(gè)問題的第一步。
對(duì)此，研究人員也開發(fā)了一種新的檢測(cè)方法：電化學(xué)阻抗譜，在不破壞電池的情況下也能夠檢測(cè)出電池的健康狀況。
用電信號(hào)來(lái)檢測(cè)電池健康
電化學(xué)阻抗譜（EIS）是一種在電化學(xué)中廣泛使用的檢測(cè)工具。
它是通過向電池輸入不同頻率的電信號(hào)，觀察電池各個(gè)接口的響應(yīng)，以此來(lái)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(tài)鋰金屬電池（下圖）中，LBO-LCO就是固態(tài)電解質(zhì)上沉積的那一層膜。
對(duì)整個(gè)電池的各個(gè)接口進(jìn)行電化學(xué)阻抗譜測(cè)試，發(fā)現(xiàn)隨著電池使用循環(huán)次數(shù)的增加，電解質(zhì)上那層膜的電阻就越來(lái)越大。
這里的電阻增大，就會(huì)導(dǎo)致電解質(zhì)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(shuō)，固體電解質(zhì)上的膜是電池容量下降的“罪魁禍?zhǔn)住薄?/p>
為了驗(yàn)證電化學(xué)阻抗譜檢測(cè)電池健康的有效性，研究人員還使用原位電子顯微鏡驗(yàn)證了這一點(diǎn)。
在顯微鏡下，可以清楚地看到固體電解質(zhì)上的膜出現(xiàn)了明顯的裂紋，這會(huì)導(dǎo)致其電阻進(jìn)一步增大。
這兩種方法得出的結(jié)論一致，這也進(jìn)一步證明電化學(xué)阻抗譜可以作為檢測(cè)電池健康的有效方法，對(duì)于未來(lái)進(jìn)一步改進(jìn)固態(tài)電池的性可以提供有效的參考。
目前，這項(xiàng)工作已經(jīng)得到了日本科學(xué)技術(shù)廳（JST）的先進(jìn)低碳技術(shù)研究和開發(fā)計(jì)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
