让锂电池更安全,还得从这里出发

2021-11-24 21:44:43 赛默飞材料表征仪器


01 “宁王”再创新高

近日,据多位知情人士透露,特斯拉已经向宁德时代为明年的销量计划预订45GWh磷酸铁锂电池。消息人士还透露,除了向宁德时代预订45GWh电池,特斯拉还计划追加订单。周五A股收盘时,宁德时代股价创了新高,总市值排名A股第三。经初步计算,45GWh的电池订单,将对应近80万辆汽车。对于宁德时代而言,这也是一笔不小的订单。截至上半年,宁德时代年化产能131GWh,在建92.5GWh。值得注意的是,不仅是特斯拉,据媒体报道,包括蔚来、长城等车企,也都在计划追加电池订单。

02 新能源车销量回暖

随着车用芯片生产重镇马来西亚等地纷纷解禁复产,市场预计四季度芯片短缺将比三季度有所缓解,新能源车销量有望逐步回暖,或将进一步刺激车企的锂电池需求。

03 狂欢之余,切勿轻视安全

在新能源车及便携式电子设备的快速发展的当下,人们除了追求锂电池的容量更大、充放电速度更快外,更为关心的是如何保障锂电池使用的安全性。近年来,时不时发生的锂电池爆炸等事件,让人神经紧绷。

锂电池为什么容易发生起火爆炸?

锂电池容易发生起火爆炸等事故,本质上是由于其有机电解质体系造成的。锂电池在使用或储存过程中会出现一定概率的失效, 包括容量衰减(跳水)、循环寿命短、内阻增大、电压异常、析锂、产气、漏液、短路、变形、热失控等, 严重降低了锂电池的使用性能、一致性、可靠性、安全性。

谁能改善这一状况?

冷冻电镜(cryo-EM)因其实现了生物分子的高分辨率结构成像而获得2017年诺贝尔化学奖。在过去的几十年里,冷冻电镜已经逐渐成为结构生物学领域一个重要的研究工具,这项技术简化和改进了生物分子的成像,将生物化学带入了一个新的时代。同时,随着冷冻电镜对敏感电池材料的成功应用,并在2017年实现了锂金属及其界面的原子结构成像,冷冻电镜在探究能源材料方面具有很大的前景。通常,在低温条件下,脆弱的电池材料可以在高能电子束下保持其原始的结构形态,并且可以在微纳米尺度,甚至原子尺度上进行高分辨成像。近年来,这些研究越来越集中于利用冷冻电镜技术来揭示电极材料的电化学机理上。这些研究的新发现和突破不但拓宽了我们对电池材料设计的视野,而且为解决能源领域的核心问题提供了重要的理论基础。

冷冻电镜如何促进电池材料的

微观结构分析和合理设计?

最近,冷冻电镜用于表征电池材料有了最新的进展。由于锂枝晶的生成会导致电池性能的下降,因而深入解析其结构组分特性将有助于从根本上抑制枝晶的形成。此外,作为电池效率衰减的主要原因,人们对非活性锂的物化性质仍然知之甚少。

并且,电极材料的界面(包括固态电解质界面(SEI)和正极电解质界面(CEI))特性显著影响着电池的循环稳定性,特别是对于活泼的金属锂表面形成的SEI。因此电池材料界面纳米结构性质的探究对于全面了解电池性能以及失效机制具有重要的指导意义。

电池材料的冷冻电镜成像

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//  锂枝晶的纳米可视化

随着冷冻电镜引入能源领域,研究表明锂枝晶等敏感电池材料在低温条件下可以得到很好的保护,即使是在高能电子束辐照下也可以保持良好的结构稳定性。相比之下,在传统透射电子显微镜(TEM)样品转移过程中,锂枝晶很容易被空气腐蚀(图a)。而在冷冻电镜观测条件下,锂枝晶不但可以避免空气腐蚀,而且在进行长时间辐照后依然可以保持其原始的结构形态(图b)。

(a)空气暴露下的锂枝晶透射电镜图像;

(b)持续电子束照射下的锂枝晶的冷冻电镜图像

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//  非活性锂的成像

锂电池低的库仑效率主要归因于非活性锂(也称为“死锂”)的形成,包括SEI中的锂组分和电子绝缘未反应的零价金属锂。具体来说,锂沉积过程中的巨大的体积膨胀会导致SEI的破坏和再生。反复的电化学循环会加剧SEI的不均匀性,导致锂金属剥离不均匀。当与电极失去电子接触时,未充分剥离的锂金属将演变为死锂。非活性锂的形成会严重阻碍电池中锂离子的扩散,最终导致电池容量的下降。虽然非活性锂的产生和累积是锂负极失效的关键因素,但是人们对它的认知却非常有限。基于冷冻电镜的观察,科学家们鉴定出被电子绝缘的未反应零价金属锂是非活性锂的主要成分,它直接导致了电池容量的损失。

在(a)高浓度电解液和(b)商业酯类电解液中生成的非活性锂纳米结构的冷冻电镜成像以及示意图

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//  找到问题,解决问题

冷冻电镜的出现为探究敏感能源材料潜在的机制提供了极大的便利,它可以在不受空气或电子束干扰的情况下保持电极材料的原始结构形态。在此基础上,它还可以实现高分辨率的观测,如原子尺度上的锂金属成像和电极界面纳米结构的揭示,这为电极材料的设计和构建提供了新的思路。并且冷冻电镜的应用还可以解决许多过去难以实现的技术问题,从而构建电池性能与微观结构甚至失效机制之间的相关性。

前方高能!

在锂电池的安全隐患可能被逐步解决的情况下,落实我国“碳达峰、碳中和”生态目标,能源转型是关键,政策引导是保障。

01

新能源汽车每月产量正在逐步上升,从 2020 年 3 月到 2021 年 9 月,新能源汽车月度产量从 6.4 万台上升至当月产量 36.2 万台;10 月,新能源汽车产销分别完成 39.7 万辆和 38.3 万辆,环比分别增长12.5%和 7.3%。

02

2021年10月,纯电动车和插电混动车产量均比上月出现较大改善。与去年同期相比,纯电动车大增146.2%,插电混动车增幅高达207.8%,合计增幅155.3%。

03

新能源车的用户满意度不断上升,逐渐与传统汽车行业持平。10月12日,中国质量协会发布数据显示,2021年中国新能源汽车行业用户满意度指数为80分(满分100分),与燃油汽车持平。其中,纯电动汽车用户满意度指数80分,再创历史新高,同比提高2分,连续6年增长。

04

新能源车渗透率提高。乘联会今年10月数据显示,9月中国新能源汽车的市场渗透率为21.1%,今年前9个月的渗透率12.6%,较2020年5.8%的渗透率提升明显,拉动车市向新能源化转型的步伐。

本文来自微信公众号:晶界



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