使用不会着火的锂金属使性能提高一倍

密歇根大学开发的可充电电池技术可以使今天的锂离子电池产量翻倍 - 大大延长电动汽车的续航时间和手机充电时间 - 而不占用任何额外的空间。

通过使用陶瓷固态电解质，工程师可以利用锂金属电池的功率，而不会出现耐久性差和短路的历史问题。结果是可能成为下一代可充电电池的路线图。

“这可能会改变游戏规则 - 电池运行方式的范式转变，”负责这项工作的机械工程副教授杰夫坂本说。

在20世纪80年代，使用液体电解质的可充电锂金属电池被认为是下一个重要的东西，在早期的便携式电话中渗透到市场。但是他们在充电时燃烧的倾向导致工程师朝着不同的方向前进。在电极之间穿梭的锂原子倾向于在电极表面上形成称为树枝状的树状细丝，最终使电池短路并点燃可燃电解质。

锂离子电池 - 一种更稳定但能量密度更低的技术 - 于1991年推出，并迅速成为新标准。这些电池用石墨阳极代替锂金属，石墨阳极吸收锂并防止枝晶形成，但也带来性能成本：

石墨每6个碳原子只能容纳一个锂离子，使其具有约350毫安小时/克(mAh / g)的比容量。固态电池中的锂金属具有3,800mAh / g的比容量。

目前的锂离子电池在电池水平上的总能量密度大约为每瓦600瓦时(Wh / L)。原则上，固态电池可以达到1,200 Wh / L.

为了解决锂金属的燃烧问题，UM工程师创造了一个稳定表面的陶瓷层 - 防止枝晶形成和防止火灾。它允许电池利用锂金属的优势 - 能量密度和高导电性 - 不会随着时间的推移而发生火灾或降级的危险。

“我们提出的是一种不同的方法 - 用陶瓷物理稳定锂金属表面，”Sakamoto说。“它不可燃。我们在空气中的温度超过1,800华氏度。并且没有液体，这通常会燃烧你看到的电池火灾。

“你摆脱了燃料，你摆脱了燃烧。”

在早期的固态电解质测试中，锂金属以低充电速率通过陶瓷电解质生长，导致短路，与液体电池中的非常相似。密歇根大学的研究人员通过化学和机械处理解决了这个问题，这些处理为锂提供了原始表面均匀的平板，有效地抑制了树枝状或长丝的形成。Sakamoto表示，这不仅可以提高安全性，还可以显着提高充电率。

“到目前为止，你可以制锂的速度意味着你需要为锂金属汽车电池充电20到50小时(全功率)，”Sakamoto说。“通过这一突破，我们证明了我们可以在3小时或更短的时间内为电池充电。

“与之前的固态锂金属电池报告相比，我们谈论的充电速度提高了10倍。我们现在的充电速度与锂离子电池相当，但还有其他优势。”

充电/充电过程不可避免地导致锂离子电池的最终死亡。在阴极和阳极之间反复交换离子会立即产生可见的降解。

然而，在测试陶瓷电解质时，长期循环后没有观察到明显的降解，机械工程的UM博士后研究员Nathan Taylor说。

“我们做了22天相同的测试，”他说。“电池在开始时和最后一样都是一样的。我们没有看到任何退化。我们还没有发现任何其他大块固态电解质在这么长时间内表现良好。”

大块固态电解质使电池成为现有锂离子电池的直接替代品，并可利用现有的电池制造技术。随着材料性能的验证，该研究小组已开始生产满足固态容量目标所需的薄固体电解质层。