不用破壞電動汽車的電池也能夠檢測它的健康狀況——這種新方法是日本研究團隊為電動汽車下一代電池“全固態(tài)鋰金屬電池”開發(fā)出來的。

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(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，就是電極和固體電解質(zhì)之間具有大界面電阻，這會對電池的性能產(chǎn)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(zhì)上沉積一層陰極膜，這層膜會減小電極和固體電解質(zhì)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(zhì)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(zhì)材料上，它們之間發(fā)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(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(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(fā)了一種新的檢測方法：電化學(xué)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(xué)阻抗譜(EIS)是一種在電化學(xué)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(yīng)，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(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。

對整個電池的各個接口進行電化學(xué)阻抗譜測試，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越大。這里的電阻增大，就會導(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，固體電解質(zhì)上的膜是電池容量下降的“罪魁禍首”。

為了驗證電化學(xué)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(zhì)上的膜出現(xiàn)了明顯的裂紋，這會導(dǎo)致其電阻進一步增大。

這兩種方法得出的結(jié)論一致，這也進一步證明電化學(xué)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(tài)電池的性能可以提供有效的參考。

目前，這項工作已經(jīng)得到了日本科學(xué)技術(shù)廳(JST)的先進低碳技術(shù)研究和開發(fā)計劃(ALCA)的支持。