大國院士 第二百三十七章：解決鋰枝晶難題的關鍵

    能解決鋰電池中的鋰枝晶問題，證明這條思路和理論是完全沒有問題的。

    但是于振研究員製造出來的人工sei薄膜卻沒有達到理想中的效果，這引起了徐川的好奇和深思。

    在他的推測中，這種問題不應該出現。

    鋰枝晶問題本就是析鋰問題的一部分，如果鋰枝晶問題能被解決的話，那麼析鋰問題也應該能得到解決，或者至少能得到一部分的解決。

    然而手上的檢測結果卻告訴他，析鋰問題並沒有得到解決，甚至更加對嚴重了。

    這讓徐川有些百思不得其解。

    ......

    盯著手中的檢測結果，徐川認真的翻閱的起來。

    從數組對照實驗來看，應用了這種新型人工sei薄膜的鋰離子電池，對照原本的鋰離子電池，負極析鋰的效率更高。

    如果原先的鋰離子的庫倫效率在99.94%~99.96%區間的話，那應用了新型人工sei薄膜的鋰電池，庫倫效率降低到了99.91%~99.2%左右。

    別看只有零點零三、四左右占比，但實際上，它對於充電循環次數的影響極大。

    】

    「有意思，到底是什麼原因造成了這個問題？」

    看著對照實驗的表格數據，徐川摸著下巴思索著。

    上輩子他可沒有聽說過這個問題，這種新型人工sei薄膜也廣泛的應用到了社會各界。

    這說明這個問題已經是解決了的。

    他很相信自己的記憶力，對於這種重要的東西，哪怕重生過一次，也過了好些年的時間，也不可能記錯什麼。

    「是實驗步驟出了問題，還是說材料出現了問題？」

    盯著對照數據，徐川將一個個猜測排除，最終留下了兩個可能性最大的想法。

    .......

    「樊師兄，麻煩給我準備幾組製造這種人工sei薄膜的材料。」

    思索了片刻，確定心中的想法後，徐川起身吩咐道，他準備自己親自動手做一下實驗。

    畢竟數據看的做多，也沒有自己動手來一次感悟的更深。

    他有預感，這個問題可能並不是很複雜，但如果找不到關鍵節點，怎麼實驗都不會搞定。

    ......

    sei薄膜，指的是液態鋰離子電池首次充放電過程中，電極材料與電解液在固液相界面上發生反應，形成的一層覆蓋於電極材料表面的鈍化層。

    這種鈍化層是一種界面層，具有固體電解質的特徵，是電子絕緣體卻是li+的優良導體。

    電解液中的li+離子可以經過該鈍化層自由地嵌入和脫出，因此這層鈍化膜被稱為「固體電解質界面膜」，英文單詞 solid electrolyte interface，縮寫sei。

    這就是sei膜的由來。

    但天然形成的sei膜並不穩定，自發形成的界面質量差，難以控制li+離子的沉積的態，會導致電池短路、析鋰嚴重、爆炸、起火、自燃等各種問題。

    因此在電池製造的時候，研究員就想辦法人工製造了一種sei膜，用來代替天然sei膜，起到穩定鋰電磁、擴大電池容量、提升電極的循環性能和使用壽命等幫助。

    經歷了幾十年的發展，目前的人工sei膜的種類很多，使用的材料也不盡相同。

    比如氧化亞矽、乙酸甲酯、三氧化二鋰等等。

    不同的負極材料及不同的電解液需要配套不同的人工sei膜。

    所以這是個很龐大，且很獨立的市場。

    徐川瞅準的也是這一點。

    因為它能繞過其他國家或者研究所的專利。

    一種新型的人工sei薄膜，如果能解決鋰枝晶、析鋰等問題，那麼它就能發展出獨一無二屬於自己的專利。

    且別人根本就無法忽視。

    畢竟目前大家使用的電池容量都差不多，而新電池的容量翻倍的話，你不用，別人用了就會搶占所有的市場。

    畢竟相同的價格，別人的續航能翻一倍，誰都知道該怎麼選擇。

    除非你能自己研發出來。

    但是這種可能性太小了，真要那麼容易，早就弄出來了。

    ......

    花費了幾天的時間，徐川親手製造了一些人工sei薄膜，並應用到了新電池上做出測試實驗。

    測試結果如之前于振研究員製造的sei膜一樣，鋰枝晶問題得到了解決，但析鋰和鋰沉積問題依舊存在。

    這讓徐川確定了並非實驗步驟有問題，那麼剩下的就只有材料了。

    「是人工sei材料有問題嗎？」

    看著實驗室中正進行充放電循環測試的電池，徐川的目光仿佛猶如透視一般，深入了鋰電池中，看到了正在不停搬運鋰離子的負極薄膜。

    「不，這種人工sei膜沒問題，我曾經拆開檢測過市面上的鋰離子電池研究過，這種成熟的商業用品不可能有缺陷。」

    「如果是這樣的話，那麼導致鋰離子出現析鋰、鋰沉積等問題的原因，可能出現在電解液中。」

    「或許是電解液出現了問題，可能是電解液與人工sei膜並不匹配導致的。」

    腦海中，一項項的信息在不斷的被剖析，利用未來二十年的眼光，徐川在不斷的迅速排查著問題。

    人工sei材料有問題這一選項被他直接排除。

    這就是他的優勢。

    如果是其他的研究所或者實驗室，絕對會將目光繼續鎖定在人工sei上，認為它不完善，會想盡辦法繼續改進。因而浪費大量的時間和精力。

    但徐川不同，他是站在巨人的肩膀上展望未來，那些地方有問題，他可以憑藉先知般的經驗來直接排除。

    而其他實驗室或研究所，即便是懷疑可能是電解液出了問題，也不敢像他一樣這般確定。

    .......

    確定問題並非出自人工sei薄膜上後，他迅速找來了這種新電池使用的電解液。

    鋰離子電池的電解液一般由高純度的有機溶劑、電解質鋰鹽、必要的添加劑等原料，在一定條件下、按一定比例配製而成的。

    川海材料研究所使用的電解液，是市場上很常見的種類。

    主要由環狀碳酸酯、碳酸乙烯、二氟草酸硼酸鋰等材料構成，此外還有一些其他的添加材料。

    其中環狀碳酸酯是一種性能優良的有機溶劑，可溶解多種聚合物，是鋰電池中最常見的一種有機溶劑。

    而碳酸乙烯則是一種不可或缺的添加劑，它添加到電解質中可以顯著的提高電池性能。

    至於二氟草酸硼酸鋰則是電解質鋰鹽，用於運載鋰離子。

    三種主要材料，都是相當常見的東西，有著各自的優點和缺點。

    徐川並沒有理會其他的稀少添加材料，直接將目光鎖定在了這三種主要材料上。

    大規模且異常的析鋰反應和科學直覺告訴他，問題大概率出在這三種材料中的一種中。

    思索了片刻後，徐川將目光鎖定了碳酸乙烯和二氟草酸硼酸鋰上。

    這兩種材料相對於環狀碳酸酯來說，更容易出問題。

    環狀碳酸酯的性能很穩定，是目前市面上很多鋰離子電池都會使用的有機溶劑，如果它出現了問題，那麼鋰電池的的庫倫效率基本提升不到99.95%以上。

    但目前市面上的電池，庫倫效率基本都在99.95%以上，所以它應該可以先排除。

    至於碳酸乙烯和雙草酸硼酸鋰，徐川想了想，將最終的選擇鎖定在二氟草酸硼酸鋰這種鋰電解質上。

    原因一樣，碳酸乙烯同樣是電解液中常用的添加劑，它幾乎存在於每一種類型的鋰離子電池中，適應性相當廣。

    而二氟草酸硼酸鋰則不同，儘管市面上很多鋰離子電池都是使用的這種電解質鋰鹽，但它有著自身的缺陷。

    比如它的溶解度差，離子電導率相對較低等問題。

    且更關鍵的是，它與鋰離子電池的負極材料，一般是集流體鋁形成穩定的鈍化膜。

    儘管它能保護負極集流體鋁免受電解液的腐蝕，但也會在一定程度上干擾鋰離子的通過。

    毫無疑問，它是三種材料中最值得懷疑的。

    ......

    確定了目標，徐川也沒有繼續浪費時間，直接開始了實驗。

    他並沒有將這份工作交給研究所的其他人，而是親自動手。

    測試方法很簡單，既然懷疑二氟草酸硼酸鋰有問題，那就直接換一種電解質鋰鹽。

    能代替它的產品有很多，無論是常規無機電解質鋰鹽中的高氯酸鋰、四氟硼酸鋰、六氟砷酸鋰等材料；還是有機電解質鋰鹽中的雙草酸硼酸鋰、雙二氟磺醯亞胺鋰等材料都可以代替。

    做一些簡陋的實驗室電池，用不了多長的時間。

    不到六個小時，徐川就完成了整體的實驗，不僅更換了電解質鋰鹽材料，還完成了新電池的初步檢測。

    然而結果卻讓徐川皺起了眉頭。

    更換了電解質鋰鹽材料後，析鋰和鋰沉積問題，依舊沒有解決。

    「問題竟然不在鋰鹽上？」

    看著初步測試結果，徐川有些驚詫。

    按照他的分析，鋰鹽出問題的概率高達百分之八十以上，可實驗結果卻表示問題並非出現在鋰鹽上。

    如果不是鋰鹽，那是哪裡出了問題？

    有機溶劑？亦或者添加劑？

    一個個的去排查，很麻煩的，電解液中的添加材料有不少，而且每一種材料的改變，都要考慮與其他材料的適配性。

    對於川海材料研究所這種以前幾乎沒有任何電池研發經歷的實驗室來說，沒有任何以往的經驗數據可以參考，可以說要從頭來過了。

    想了想，徐川對手中的工作重新做了個安排。

    對於電解質鋰鹽的後續測試，他交給了實驗室中的其他人。

    畢竟一兩次的實驗還是有遺漏性的，多次重複實驗，才能確定電解質鋰鹽有沒有問題。

    至於他自己，則對碳酸乙烯這種常用添加劑展開了研究。

    儘管沒有從電解質鋰鹽上找到問題，但徐川依舊相信，導致析鋰和鋰沉積問題的關鍵，在電解液上。而且一定會是在三種主要材料上。

    針對碳酸乙烯的研究，和電解質鋰鹽一樣，他乾淨利落的選擇了直接更換材料。

    單純的檢測問題，判斷對應的材料有沒有問題，不考慮適配性什麼的，這是最快，最有效的辦法。

    材料研發儘管是一件碰運氣的事情，但經驗和數學分析，能幫助研發人員做出相對正確的選擇，極大的縮減研發時間與需要投入的成本。

    將碳酸乙烯更換成另一種作用近似的『臭代碳酸酯』後，徐川重新對電池做了檢測。

    本沒抱多少希望的檢測，結果卻讓他大為驚訝。

    在更換掉碳酸乙烯後，鋰離子電池的析鋰與鋰沉積速度竟然得到了相當大的改善。

    在使用碳酸乙烯作為提高電池性能的添加劑時，新電池的庫倫效率最高也只有99.93%左右。

    而在更換成臭代碳酸酯後，新電池的庫倫效率竟然提升到99.98%左右。

    0.05個百分點的提升，這足以充放電循環次數提升三百到是四百次了。

    但缺點也有，在更換了碳酸乙烯後，鋰電池的性能下降了不少。

    比如充電速度降低了近百分之十八，電解液的活化性能也降低了不少。

    不過相對比析鋰問題得到解決，這些都是可以接受的。

    .......

    「問題居然出在碳酸乙烯上？這真難以相信。」

    看著檢測結果，徐川再度驚詫。

    如果他沒記錯的話，碳酸乙烯這種添加劑，在未來的鋰離子電池、鋰金屬電池、甚至是鋰硫電池中都有使用。

    因為相對其他的添加劑來說，碳酸乙烯對於鋰電池電池性能的提升相當高，其他的添加劑根本就無法相比。

    這也是他並沒有怎麼想過問題會出現在這上面的原因。

    但現在，實驗結果明明白白的告訴了他，導致析鋰和鋰沉積的罪魁禍首就是碳酸乙烯。

    「真是很難相信啊。」

    盯著檢測結果，徐川再度陷入了沉思。

    解決了析鋰問題，本應該是一件很讓人高興的事情，但他卻對此產生了懷疑。

    在未來米國那家研究所解決鋰枝晶問題的時候，肯定也遇到過這種問題，只是，他們依舊選擇了碳酸乙烯作為添加劑。

    這是為什麼？

    碳酸乙烯作為添加劑，的確能提升鋰電池的性能，但如果它是導致鋰枝晶問題的罪魁禍首，那麼怎麼都應該將其更換掉來著。

    為什麼那家研究所沒有這麼做？

    對於這個問題，徐川有些想不通了。

    ..........

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