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科學(xué)家從內(nèi)到外研究電極顆粒的化學(xué)性質(zhì)

時間:2020-09-18 17:03來源:蓋世汽車作者:Elisha

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美國SLAC國家加速器實驗室

構(gòu)成鋰離子電池電極的微粒雖小但威力巨大：它們決定了電池的電荷存儲量、充放電速度，以及在某段時間內(nèi)的電量變化趨勢。對于電動汽車或電子設(shè)備來說，這些都是決定性能的重要因素。粒子表面產(chǎn)生裂紋或發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后會降低性能，隨著時間的推移，整個粒子吸收和釋放鋰離子的能力也會逐漸改變。科學(xué)家們對這二者都已進(jìn)行過研究，但從未同時對單個粒子的表面和內(nèi)部進(jìn)行過觀察，以了解粒子之間的相互影響。

據(jù)外媒報道，在一項新研究中，美國SLAC國家加速器實驗室的Yijin Liu帶領(lǐng)研究小組做到了這一點。他們將一個電池正極粒子（約紅細(xì)胞那么大）插在針尖上，用兩臺X射線儀器對其表面和內(nèi)部進(jìn)行3D探測。他們發(fā)現(xiàn)，在粒子表面的不同位置上，所產(chǎn)生的裂紋和化學(xué)變化的差異很大，并且與粒子內(nèi)部深處的微觀裂紋相對應(yīng)，從而減弱粒子儲存能量的能力。

Yijin Liu表示：“結(jié)果表明，粒子的表面和內(nèi)部基本上是互通的。了解它們之間的化學(xué)對話，可以幫助我們對整個粒子進(jìn)行設(shè)計，加快電池循環(huán)。”

內(nèi)外皆有損傷

鋰離子電池電極由很多微粒構(gòu)成，而每個粒子中還含有更小的顆粒。它們的結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)是決定電池性能的關(guān)鍵因素。在電池充放電過程中，鋰離子會從粒子的原子之間的空間出入，導(dǎo)致粒子膨脹和收縮。隨著時間的推移，這會使粒子破裂，降低它們吸收和釋放離子的能力。粒子還會與周圍的電解質(zhì)反應(yīng)，形成表面層體，阻止離子出入。隨著裂紋擴(kuò)大，電解液會進(jìn)一步滲透，破壞內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

這項研究集中在由富鎳氧化層制成的粒子上。理論上來說，與目前的電池材料相比，這種氧化物可以儲存更多的電荷。此外，它的鈷含量較低，因此成本更低。但是，這種材料存在一個問題：經(jīng)過多次高壓充電過程，這些微粒的儲能能力會迅速消失。快速充電電動汽車通常采用高壓充電系統(tǒng)。

開發(fā)下一代材料

科學(xué)家們一直在研究兩種基本方法，以最大限度地減少損害，提高顆粒的性能:在表面涂上一層保護(hù)涂層，或以不同的方式將顆粒包在一起，以改變內(nèi)部結(jié)構(gòu)。Liu說：“兩種方法可能都有效，把它們結(jié)合起來會更有效，我們應(yīng)著眼于更大的前景。”

研究人員Shaofeng Li負(fù)責(zé)X射線實驗，用兩臺儀器檢測充電電池的針式安裝正極粒子，一臺掃描表面，另一臺探測內(nèi)部。基于這些結(jié)果，普渡大學(xué)副教授Kejie Zhao帶領(lǐng)理論學(xué)家開發(fā)了一個計算機模型，展示電荷如何在12分鐘內(nèi)破壞粒子，以及這種破壞模式如何反映粒子表面和內(nèi)部的相互作用。“從得到的圖像可以看出，粒子中到處都有變化。例如，表面上的某些區(qū)域比其它區(qū)域更易降解，從而影響內(nèi)部的反應(yīng)，反過來這又會使表面以不同的方式退化。”

研究團(tuán)隊計劃，在他們以前研究過的其他電極材料上應(yīng)用這項技術(shù)，并重點關(guān)注充電速度如何影響損傷模式。“你希望能在10分鐘內(nèi)給你的電動車充電，而不是幾個小時。這將是后續(xù)研究的重要方向。”

(責(zé)任編輯：子蕊)

文章標(biāo)簽：電池電極顆粒

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