阿贡国家实验室的研究人员进行了一项关于软短路的全面研究，这是电池永久性故障的早期迹象之一。
阿贡国家实验室的研究人员进行了一项关于软短路的全面研究，这是电池永久性故障的早期迹象之一。
阿贡国家实验室对固态电池中“软短路”的研究为提高电动汽车电池的可靠性和设计提供了重要的信息和工具，标志着电池研究的重大进展。SciTechDaily.com
一支在开发固态电池材料的阿贡团队意外地调查了被称为软短路的微小短路现象。他们的发现将使全球电池研究人员受益。
美国能源部（DOE）阿贡国家实验室的研究人员为电池故障的早期迹象提供了重要的新见解。他们的研究与一种被称为软短路的状况有关，为研究社区提供了设计更好的电动汽车（EV）电池的宝贵知识和方法。
阿贡团队的研究聚焦于以锂金属制成的阴极（负极）的全固态电池。许多人将这样的设备视为电池技术的“圣杯”。为什么呢？因为锂金属可以在较小的空间内存储大量电荷。这意味着它可以实现比使用石墨阴极的传统锂离子电池更长的电动汽车行驶里程。
然而，锂金属在操作中存在挑战，因为它可能与传统电池中的液体电解质高度反应。电解质是一种在电池的两个电极之间移动带电粒子（称为离子）的材料，将存储的能量转化为电力。
在正常工作的电池放电时，离子从阴极通过电解质流向阳极（正极）。与此同时，电子从阴极流向外部设备，如手机或电动汽车电机，然后返回阴极。电子流是驱动设备的动力源。当电池充电时，这些流动是相反的。
使用锂金属通常会扰乱这个过程。在充电过程中，锂丝可能从阴极生长并穿透电解质。如果这些生长足够大并延伸到阴极，它们将在电极之间创建一个永久的“导线”。最终，电池中的所有电子都将通过这根导线从一个电极流到另一个电极，而不离开电池来为设备供电。这个过程还阻止了电极之间的离子流动。
“这被称为内部短路，”阿贡实验室的博士后任命研究员迈克尔·考尼汉说道。“电池失败了，电子不再为您的设备提供动力。”
将锂金属阳极放入全固态电池——换句话说，电解质为固体的电池——可能会减少与丝状结构相关的挑战，同时仍然保留锂的优点。
对软短路的意外调查
阿贡团队正在为EV电池开发新的固态电解质，发现了一个异常的行为。
“当我们在实验室中操作我们的电池时，我们观察到非常小而短暂的电压波动，”考尼汉说。“我们决定深入研究。”
研究人员反复对电池进行数百小时的充电和放电，测量各种电学参数，如电压。团队确定电池正在经历软短路，即微小且暂时的短路。
在软短路中，锂丝从阴极生长到阳极。但是生长的量较永久性短路中要小。虽然一些电子停留在电池内部，但其他电子可能流向外部设备。电极之间的离子流可能继续。所有这些流动都可能变化很大。
团队与阿贡的计算专家合作，开发了预测软短路期间离子和电子流量的模型。这些模型考虑了锂丝的大小和电解质的特性等因素。
具有软短路的电池可以继续工作数小时、数天，甚至数周。但正如阿贡团队发现的那样，锂丝通常会随时间增长而增多，最终导致电池故障。
“软短路是通向永久电池故障的第一步，”考尼汉说。
动态行为
团队的进一步研究揭示了软短路具有非常动态的行为。它们经常在微秒或毫秒内形成、消失和重新形成。
“这对电池研究人员来说是一个重要的教训，”考尼汉说。“在实验室中进行典型的电池测试时，研究人员可能只每隔一分钟测量一次电压。在此期间，您可能错过了成千上万次软短路的形成和消失。它们就像在毁坏您的电池，而您并不知情
的小鬼。”
软短路消失的最常见原因是热量。当电子通过锂丝流动时，会产生热量——类似于家用电器导线可能发生的发热现象。如果周围的电解质具有热绝缘性，热量可以迅速融化丝状结构。
软短路可以在丝状结构与某些电解质发生反应时溶解。阿贡团队正在调查的一些固态电解质可以在丝状结构到达阴极并导致内部短路之前削减小丝。
帮助研究界
在对软短路进行广泛研究期间，阿贡团队开发并演示了几种检测和分析该现象的新方法。例如，一种方法量化软短路对电流流动阻力的贡献。由于不同的电池组件可能导致这种阻力，分离软短路的贡献可以帮助研究人员更好地评估电池的健康状况。
该研究最近发表在《Joule》杂志上，包含近20种检测和分析技术。其中约三分之一的方法来自团队最近的研究，而其他方法则来自研究社区中非正式、未发表的知识。
“我们意识到文献中没有使用超过两种这些技术的论文，”考尼汉说。“为了使这个列表对研究人员更有用，我们包含了有关每种方法的优缺点的信息。由于软短路非常动态，研究人员有很多可用的工具来更好地了解软短路的影响。”
该团队希望向全球的研究人员提供关于软短路的见解，以指导他们的工作。例如，论文中的技术可以帮助推动设计硬固态电解质的进展，以抑制锂丝的生长。
“当研究人员了解他们电池中软短路的动态行为时，他们就能更好地调整材料，避免这些故障路径，”考尼汉说。
参考文献：
“The phantom menace of dynamic soft-shorts in solid-state battery research” Michael J. Counihan、Kanchan S. Chavan、Pallab Barai、Devon J. Powers、Yuepeng Zhang、Venkat Srinivasan和Sanja Tepavcevic，2023年12月6日，《Joule》杂志。DOI：10.1016/j.joule.2023.11.007
该团队在阿贡的材料工程研究设施制备了其固态电池电解质，并在阿贡的纳米材料中心进行了评估，这是美国能源部科学办公室的用户设施。除了考尼汉外，该研究的其他作者还包括Kanchan Chavan、Pallab Barai、Devon Powers、Yuepeng Zhang、Venkat Srinivasan和Sanja Tepavcevic。该研究得到了美国能源效率与可再生能源办公室（EERE）的车辆技术办公室的资助。