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研究人員利用X射線捕獲EV電池的退化圖像
時(shí)間:2022-04-08 08:58來源:蓋世汽車 作者:Elisha
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據(jù)外媒報(bào)道，加拿大光源（Canadian Light Source）的研究人員Toby Bond利用X射線，幫助設(shè)計(jì)強(qiáng)勁的電動(dòng)汽車電池，使其壽命更長。這項(xiàng)研究展示電池充放電循環(huán)如何造成物理損傷，最終導(dǎo)致儲(chǔ)能能力下降。這項(xiàng)新工作指出，電池材料中形成的裂縫，與攜帶電荷的重要液體損耗之間存在聯(lián)系。
（圖片來源：Canadian Light Source）
研究人員利用薩斯喀徹溫大學(xué)（University of Saskatchewan）加拿大光源的腦磁感應(yīng)斷層成像（BMIT）設(shè)施，對(duì)電池內(nèi)部進(jìn)行詳細(xì)的CT掃描。這項(xiàng)研究專門探討電動(dòng)汽車的電池，旨在輕量設(shè)備中儲(chǔ)存更多的能量。Bond表示：“一般來說，儲(chǔ)存的能量越多，電池退化得越快。”
在鋰離子電池中，這是因?yàn)殡S著充放電循環(huán)，鋰離子在兩個(gè)電極之間往返嵌入和脫嵌。電荷不斷增多，導(dǎo)致材料膨脹；當(dāng)鋰離子離開時(shí)，材料會(huì)收縮。經(jīng)過多次循環(huán)，材料中開始形成微裂紋，使其保持電荷的能力逐漸降低。“這會(huì)導(dǎo)致電池中的材料從內(nèi)到外出現(xiàn)碎裂。如果損壞到一定程度，電池內(nèi)部的某些部件會(huì)脫落。更嚴(yán)重的話，可能引發(fā)安全問題。”
長期以來，該領(lǐng)域致力于研究這一問題，以及如何通過涂層和其他處理方法，有效解決這一問題。傳統(tǒng)上來說，人們會(huì)拆開電池，并在電子顯微鏡下觀察單個(gè)顆粒，以研究電池中形成的裂縫。這樣做會(huì)破壞電池，使研究人員無法保存較大的電池結(jié)構(gòu)，也無法觀察這些裂縫對(duì)電池中其他部分產(chǎn)生的影響。
在這項(xiàng)研究中，研究人員在CLS利用X射線成像，在特定環(huán)境中探討這些裂縫所產(chǎn)生的影響，并觀察其如何導(dǎo)致電池的其余部分發(fā)生變化。研究人員發(fā)現(xiàn)，隨著所形成的微裂縫越來越嚴(yán)重，電池中的液體會(huì)被吸收至裂縫之間的額外空間，導(dǎo)致剩下的液體不足。Bond表示：“這是第一次有人在工作電池中捕捉到所有這些同時(shí)產(chǎn)生的影響。液體電解質(zhì)損耗能引起嚴(yán)重的問題，因?yàn)殡姵刂杏腥魏尾糠譄o法獲得足夠的液體，就會(huì)停止工作。”
在研究過程中，研究人員探討多年來不斷充放電至不同水平的電池，以及從未使用過的其他條件相同的電池。通過BMIT明亮的聚焦光線采集3D X射線掃描圖，能夠清楚地看到使用過程對(duì)不同材料產(chǎn)生的影響，無論是從微觀尺度，還是整個(gè)電池。
研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，少量耗盡電池，比一直給電池放電造成的損耗要小。這大約是因?yàn)樵谝欢〞r(shí)間內(nèi)，電荷變化越小，對(duì)電池電極材料造成的物理損害就越小。對(duì)于很多新應(yīng)用來說，如長途運(yùn)輸、電動(dòng)飛機(jī)，以及利用停放的電動(dòng)汽車來儲(chǔ)能和向電網(wǎng)輸送能源等，了解這些影響非常重要。在這些情況下，通常在充電之前使用的電池全容量更多。
研究人員表示，隨著電動(dòng)汽車逐漸取代內(nèi)燃機(jī)車輛，了解電池在不同條件下的表現(xiàn)，具有重要意義。
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