普林斯顿大学发现隐藏缺陷 为电动汽车提供更好的固态电池

与传统锂离子电池相比，固态电池的充电速度更快、续航里程和使用寿命更长，可以在电动汽车中发挥重要作用。然而，由于目前的制造和材料加工技术有限，固态电池容易退化。据外媒报道，研究人员发现了一种导致电池退化的隐藏缺陷，接下来将针对这些缺陷进行材料和技术设计，以生产下一代电池。

（图片来源：普林斯顿大学）

在固态电池中，带电粒子（离子）在固体材料中移动。而在传统的锂离子电池中，离子通过液体移动。根据这项新发现，虽然固态电池具有优势，但固态材料中的局部变化或微小缺陷会导致电池磨损或短路。
普林斯顿大学安德林格能源和环境中心（Andlinger Center for Energy and the Environment）的研究人员Kelsey Hatzell表示：“如果希望离子在空间中的每一点都以相同的速度移动，使用均匀一致的材料，具有重要意义。”
研究人员利用阿贡国家实验室（Argonne National Laboratory）的高科技工具，在电池实际充放电时检测和跟踪电池中的纳米尺度材料变化。该研究团队代表普林斯顿工程学院（Princeton Engineering）、范德比尔特大学（Vanderbilt）、阿贡国家实验室和橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Lab），探讨电池固态电解质中由晶体组成的颗粒。这是电池的核心部分，电荷通过固态电解质移动。
电池将电能储存在电极材料中，包括正极和负极。当电池释放能量为车辆供电时，带电粒子（离子）会穿过电池到达正极。固态或液态电解质是离子在正负极之间的移动路径。没有电解质，离子就无法在正负极之间移动并储存能量。
在固态电池中，电解质通常是陶瓷或致密的玻璃。采用固态电解质的固态电池，可以使用锂金属等能量密度更高的材料，并使电池更轻、更小。对于电动汽车等运输应用来说，重量、体积和充电能力是关键因素。而且固态电池比其他类型的电池更安全，更不易着火。
以前研究人员认为，固态电池的电解质容易发生退化，而且似乎是随机性的退化。在本项研究中，研究人员则怀疑，固态电池的退化不是随机的，而是由电解质中的晶体结构变化引起的。为了探索这一假设，研究人员利用阿贡实验室的同步加速器，借助强大的X射线来观察电池运行状态。通过结合X射线成像和高能衍射技术，在埃尺度上研究石榴石电解质的晶体结构。因此，研究人员可以从晶体层面研究石榴石的变化。
石榴石电解质由晶粒构建块组成。单独的电解质（直径1mm）中几乎有30,000个不同的晶粒。研究人员发现，在这30,000个晶粒中，主要有两种结构安排，可以不同的速度移动离子。此外，Hatzell表示，这些不同的形式或结构“可能导致应力梯度，导致离子向不同的方向移动，或者使离子远离电芯部分。”
研究人员认为，带电离子在电池中的移动，如同水顺流而下，遇到岩石后则改变方向。有大量离子通过的区域往往压力更高。Hatzell表示：“如果让所有的离子通过一个区域，就会导致电池快速退化。为了构建能够持续数千次充电循环的电池，需要控制离子在电解质中的移动位置和方式。”
通过制造技术和添加少量不同的化学物质（称为掺杂剂），可以控制晶粒的一致性，从而稳定电解质中的晶体形态。研究人员表示，“关于如何避免异质性，还有很多未经检验的假设。当然这具有挑战性，但也不是不可能解决的。”