阿贡国家实验室的一个团队正在开发固态电池材料，他们意外地绕道研究了被称为软短路的微小短路。他们的见解将使世界各地的电池研究人员受益。
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线索。他们的研究发表在《焦耳》杂志上，涉及一种称为软短路的情况，为研究界提供了设计更好的电动汽车(EV)电池的宝贵知识和方法。
阿贡国家实验室团队的研究重点是阳极(负极)由锂金属制成的全固态电池。许多人将此类设备视为电池技术的“圣杯”。为什么?因为锂金属可以在很小的空间内储存大量的电荷。这意味着它可以使电动汽车的行驶里程比由石墨阳极制成的传统锂离子电池更长。
然而，锂金属带来了操作挑战，因为它可能与传统电池中的液体电解质发生高度反应。电解质是在电池的两个电极之间移动称为离子的带电粒子，将存储的能量转化为电能的材料。
当正常工作的电池放电时，离子从阳极通过电解质流到阴极(正极)。与此同时，电子从阳极流向外部设备(例如手机或电动汽车电机)，然后返回阴极。电子流为设备提供动力。当电池充电时，这些电流会相反。
锂金属的使用往往会破坏这一过程。在充电过程中，锂丝会从阳极生长出来并渗透到电解质中。如果这些生长变得足够大并一直延伸到阴极，它们就会在电极之间形成永久的“电线”。最终，电池中的所有电子都通过这根电线从一个电极流到另一个电极，而不会离开电池为设备供电。此过程还会阻止电极之间的离子流动。
“这被称为内部短路，”阿贡博士后任命者、该团队的首席研究员迈克尔·库尼汉(MichaelCounihan)说。“电池坏了，电子不再为你的设备供电。”
将锂金属阳极放入固态电池(换句话说，具有固体电解质的电池)中可以潜在地减少与灯丝相关的挑战，同时仍然保留锂的优点。
意想不到的绕道进入软短裤
阿贡国家实验室团队正在开发一种用于电动汽车电池的新型固体电解质，并注意到一种不寻常的行为。
“当我们在实验室操作电池时，我们观察到非常小、非常短暂的电压波动，”库尼汉说。“我们决定进行更深入的研究。”
研究人员对电池反复充电和放电数百小时，测量电压等各种电气参数。研究小组确定电池出现了软短路，这是一种微小的暂时短路。
通过软短路，锂丝从阳极生长到阴极。但增长量比永久短路要小。虽然一些电子留在电池内，但其他电子可能会流向外部设备。电极之间的离子流可能会继续。所有这些流程可能差异很大。
该团队与阿贡计算专家合作开发了预测软短路期间离子和电子流数量的模型。该模型考虑了锂丝尺寸和电解质特性等因素。
带有软短路的电池可以持续运行数小时、数天甚至数周。但正如阿贡国家实验室研究小组发现的那样，细丝的数量通常会随着时间的推移而增加，最终导致电池故障。
“软短裤是电池永久性故障的第一步，”库尼汉说。
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