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在x光的帮助下 研究人员发现了影响固态电池寿命的原因

发布于:2021-02-06 内容来源:热心编辑投稿

x光大家都很熟悉。已经广泛应用于生活的方方面面,比如医院的胸部X线检查,地铁、高铁、机场的安检。借助x光,我们可以在不破坏物体的情况下看到物体的内部结构。

——固态电池作为未来极具潜力的新电池类别,已经迅速进入人们的视野。与广泛使用的液体电池相比,固态电池,如手机中使用的电池,也称为锂离子电池,属于液体电池。与液体电池相比,固体电池在安全性、能量密度、充放电效率等方面都有了长足的进步。

液体电池技术已经相当成熟。里面有液体电解质,锂离子在阳极和阴极之间的运动形成电流。然而,固态电池使用固体材料来代替现有锂离子电池中的易燃液体电解质。充放电过程是怎样的?x光可能是深入研究固态电池的一种可行方法。

研究小组使用特殊 X 射线探究固态电池内部

最近,阿尔贡国家实验室的一个研究小组用x光展示了固态电池的充电/放电过程。如下图所示,一个固态电池正在通过佐治亚理工学院设计的定制硬件进行充放电。

图|固态电池在佐治亚理工学院设计的定制硬件中充放电(来源:佐治亚理工学院)

利用美国能源部阿贡国家实验室高级光子源(APS)的超亮X射线,利用一个宽度约为2 mm的圆柱形电池,研究小组观察了固态电池充放电过程中材料的内部转变,能够捕捉到电池充放电过程中结构变化的三维图像。

阿尔贡国家实验室x光科学部主任弗朗切斯科德卡罗说:“这种x光的主要特点是超高灵敏度和极快的速度。正是基于这些特点,这项研究才有可能。”“射线的灵敏度有助于R&D团队区分密度相似的电池内部的相位,射线的速度使他们能够捕捉电池内部变化期间的变化。”他补充道。

图| X射线断层成像重建电池中固体电解质界面的三维视图(来源:佐治亚理工学院)

这些清晰的图像揭示了固体电解质界面上电极材料的动态变化如何决定固态电池的性能。研究人员发现,电池的工作导致界面上形成微小间隙,尺寸可达1-2微米,比人发直径小50倍左右,导致接触不良,这也是电池失效的主要原因。

佐治亚理工学院材料科学与工程学院助理教授马修麦克道尔(Matthew McDowell)说:“我们可以准确地了解界面处间隙的形成和位置,然后将其与电池性能联系起来。这项工作提供了对电池内部情况的基本了解,这对指导工程工作至关重要,这些工程工作将在未来几年推动固态电池的商业化。”

据报道,他们的研究发表在1月28日的《自然-材料学》杂志上。

循环寿命是阻碍固态电池发展的一大障碍

如今,锂离子电池被广泛应用于几乎每个领域,从移动电子产品到电动汽车。在锂电池内部,液体电解质均匀地覆盖在电极上,允许锂离子自由移动。但采用固体电解质代替固体电池技术,将有助于提高能量密度,提高电池安全性。然而,从电极上去除锂会在界面上产生间隙,导致可靠性问题,从而限制电池的使用寿命。

麦克道尔说:“为了解决这个问题,可以想象通过不同的沉积工艺来创建结构化的界面,以确保在循环过程中的接触。这些接口的结构控制和工程设计对固态电池的未来发展至关重要。我们在这里学到的知识可以帮助我们设计界面。”

由杰克刘易斯领导的佐治亚理工学院研究小组专门建造了这个特殊的

殊的测试单元,在 APS 的光束线上进行研究。与此同时,研究小组的四名成员在为期五天的密集实验中,利用 X 射线计算机断层扫描技术研究了固态电池结构的变化。

McDowell 说:“我们在给固态电池充电和放电的时候进行成像,以观察电池工作时电池内部的变化。仪器从不同方向拍摄图像,然后用计算机算法重建图像,以提供固态电池随时间推移的三维图像。”

由于锂非常轻,因此用 X 射线对其成像可能具有一定的挑战性,并且需要对测试电池进行特殊设计。Argonne 所使用的技术类似于医学计算机断层扫描(CT)所使用的技术。

由于测试的局限性,研究人员只能在一个循环周期内观察电池的结构。在未来的工作中,McDowell 希望了解在其他循环周期中会发生什么,以及该结构是否以某种方式适应空隙的产生和填充。研究人员认为,这一结果可能会应用于其他电解质配方,并且表征技术可用于获取有关其他电池工艺的信息。

Francesco De Carlo 则表示:“下一步可能采用纳米断层成像技术,它使用更紧密聚焦的 X 射线束,并可以提供电池中更小的空隙(如果它们在工作期间形成)的照片,而且在 APS 上也可以使用此技术。”

电动汽车的电池组在预计 150,000 英里的使用寿命内必须能承受至少 1000 次充放电循环。虽然带有锂金属电极的固态电池可以为特定尺寸的电池提供更多的能量,但除非能提供足够长的使用寿命,否则这种优势将无法克服现有技术。

对此,McDowell 表示:“我们对固态电池的技术前景感到非常兴奋,在这个领域有很大的商业和科学兴趣,这项研究的信息将有助于推动这项技术走向广泛的商业应用。”

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标签: 电池 固态 射线
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