不用破壞電動汽車的電池也能夠檢測它的健康狀況。

這個方法是日本研究團(tuán)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(yán)重的問題：退化嚴(yán)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(shí)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(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，但對于電動汽車來說還遠(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(jìn)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?zhǔn)住薄?/p>

為了驗(yàn)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(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電池健康的有效方法，對于未來進(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

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