9月12日，據(jù)國外媒體報道，哈佛大學約翰·A·保爾森工程與應(yīng)用科學學院（SEAS）材料科學副教授XinLi實驗室的工程師們，開發(fā)出了一種新型固態(tài)鋰電池，其壽命周期可達1萬次，充電速度最快三分鐘。

固態(tài)電池是指采用固態(tài)電解質(zhì)的鋰離子電池，不含有任何液體。相比傳統(tǒng)的液態(tài)鋰離子電池，固態(tài)電池具有以下優(yōu)勢。首先安全性能高，固體電解質(zhì)取代可燃的液體電解質(zhì)，且固體電解質(zhì)有望克服鋰枝晶的產(chǎn)生；其次能量密度高，負極可采用鋰金屬負極，極大提高能量密度；再次循環(huán)壽命長，可避免液體電解質(zhì)再充放電過程中持續(xù)形成和生長固體電解質(zhì)界面膜，理論上循環(huán)壽命可提高10倍以上；此外，固態(tài)電池電化學窗口寬達5V，高于液態(tài)鋰離子電池的4.25V，適用于高電壓正極材料；最后，固態(tài)電池無廢液，處理相對簡單，回收更加方便。

當然，固態(tài)電池技術(shù)也存在一些很棘手的問題。粉體顆粒在電池充放電循環(huán)中會發(fā)生體積膨脹與收縮，由于不含有液體，因此顆粒與顆粒之間、層與層之間容易產(chǎn)生縫隙，帶來接觸不良，影響離子和電子的傳輸，電池內(nèi)阻就會增加，在充放電過程中就會發(fā)生極化問題，導(dǎo)致倍率性能下降。

因此，對固態(tài)電池的測試，除了要觀察其形貌外，更重要的是獲得表面形貌與其導(dǎo)電性之間的聯(lián)系，分析不同形態(tài)與聚集狀態(tài)對其工作狀態(tài)的影響。

為此，設(shè)定實驗對兩種固態(tài)電池材料進行分析，分別是鈷酸鋰（LiCoO2:以下稱為LCO）和鈦酸鋰（Li4Ti5O12:以下稱為LTO）。為了模擬固態(tài)電池內(nèi)部工作環(huán)境，使用環(huán)境控制艙調(diào)節(jié)氣氛，氧氣0.7ppm或更少，水蒸氣0.75ppm或更少。

30微米范圍內(nèi)LCO形貌圖像與電流分布圖像

30微米范圍內(nèi)LTO形貌圖像與電流分布圖像

30微米LCO形貌圖像和30微米LTO形圖像均顯示出2μm左右的高度差，并且表面粗糙度(Sa)分析顯示，二者分別為341.5nm和333.6nm，非常相近。在LCO中還發(fā)現(xiàn)了幾個缺口。相比之下，在LTO中沒有發(fā)現(xiàn)間隙，表面較為完整。

在30微米LCO電流分布圖像中，表面電流分布不均勻，在41.7%的面積上檢測到電流（使用顆粒分析軟件分析）。在30微米LTO電流分布圖像中，沒有檢測到電流，可能的原因是在未充電狀態(tài)下LTO具備高電阻特性。

5微米范圍內(nèi)LCO形貌圖像、電流分布圖像、粘性力分布圖像

5微米范圍內(nèi)LCO形貌圖像、電流分布圖像、粘性力分布圖像

5微米LCO形貌圖像顯示該電極材料中的晶粒尺寸約為2-5微米左右，并且它們之間存在間隙。同時也存在幾百納米大小的顆粒，如箭頭所示。LTO形貌圖像顯示電極材料為板狀晶體結(jié)構(gòu)，箭頭所示。

在5微米LCO電流分布圖像中，可發(fā)現(xiàn)電流在黃色虛線的左右兩側(cè)明顯不同。對比5微米LCO形貌圖像，可推測黃色虛線是裂縫的邊界。此外，很明顯箭頭所指的幾個幾百納米大小的晶粒處沒有電流。推測其原因是這些顆粒因破碎脫落隔離于其他材料，未能形成電流通路。在5微米LTO電流分布圖像中依然沒有檢測到電流。

對比以上圖像發(fā)現(xiàn)，5微米LCO粘性力圖像與5微米LCO形貌圖像和5微米LCO電流圖像中的分布相關(guān)。同時5微米LTO粘性力圖像與5微米LTO形貌圖像中的板狀晶體（箭頭所示）分布相關(guān)。通常，粘性力被認為是由毛細力、范德華力或樣品表面水膜導(dǎo)致的電荷聚集引起的。然而，在本次測量中，水蒸氣濃度為75ppm或更低，因此毛細力的影響很小。所以，粘性力圖像可能代表范德華力或電荷力，這兩種力可被用于展示電極材料的組成分布。

根據(jù)上述信息，很可能LCO電流分布反映了材料的成分分布，并且電流的路徑受晶粒之間的裂紋或間隙影響。LTO在這種情況下無法獲得電流圖像，可嘗試充電以降低其內(nèi)阻，然后進行測量。

利用環(huán)境控制艙使被測樣品不暴露于空氣的情況下測量全固態(tài)鋰電池電極材料，可獲得形貌圖像、電流分布圖像和粘性力圖像。綜合分析這三種圖像，可用于解決全固態(tài)鋰電池界面電阻的檢測問題。

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