研究发现电池磨损的主要原因在于反复充电【广

为了了解这些裂纹如何影响电池性能,Zhao在珀杜大学的团队开发了理论和计算工具。例如,他们发现,在锂离子来回穿梭的地方,附近的粒子(称为“分离器”)比电极材料底部的粒子使用率更高,所以,它们失效的速度更快。在较厚的电极和快速充电条件下,电极颗粒损伤或“非均质退化”的变异性更为严重。Zhao说:“电池容量并不取决于电池中的颗粒多少,重要的是如何使用锂离子。”

来自ESRF、SLAC、弗吉尼亚理工大学和普渡大学的一个国际科学家团队希望了解并定量定义导致锂离子电池失效的原因。在此之前,研究要么在失效期间放大单个区域,要么放大阴极中的粒子,要么缩小观察电池层的行为,而不提供足够的微观细节。现在,这项研究提供了第一个具有前所未有的微观结构细节的全局视图,以补充电池文献中现有的研究。

利用这些技术,科学家们发现磁铁矿在第一次放电时完全分解成金属铁纳米颗粒和氧化锂。在接下来的反应中,这种转化反应是不完全可逆的——金属铁和氧化锂的残留物仍然存在。此外,磁铁矿的原始“尖晶石”结构在带电状态下演化为“岩盐”结构(两种结构中铁原子的位置并不完全相同)。随着随后的充放电循环,岩盐氧化铁与锂相互作用,形成氧化锂与金属铁纳米粒子的复合物。由于转化反应不完全可逆,这些残余产物会累积。科学家们还发现电解质(使锂离子在两个电极之间流动的化学介质)在随后的循环中会分解。

研究人员提出的新技术本质上是用人工智能驱动的X射线工具,通过机器学习算法,一次性可自动扫描锂离子电池电极上的数千个粒子,一直到组成粒子的原子。一个电池电极中存在数百万个粒子。现在,研究人员可以更彻底地对它们进行分析,包括各种仿真运行分析,比如不同的电压窗口和充电速度。

作者:European Synchrotron Radiation Facility

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Zhao的实验室研究电池在机械和电化学方面如何相互影响的基础科学。他说:“此前的大部分研究都集中在单个粒子水平上,并通过相关分析,来了解整个电池。但是,这儿显然存在缺口,那就是微米尺度上的单个微粒,与整体的大电池比起来 ,有很多不同之处。”

“在实验之前,我们不知道我们可以同时研究这些粒子。成像单个活性电池粒子一直是这个领域的焦点。为了制造更好的电池,你需要最大限度地发挥每个粒子的作用,”SLAC的科学家刘一金说。

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考虑到美国只有几个同步加速器,所以该项目并不能让每个研究人员和行业参与者都采用这种技术,但他们可以利用这一技术所产生的信息。研究人员计划继续使用该技术来记录损坏是如何发生的,以及如何影响商用电池的性能。

为了克服这一挑战,研究小组严重依赖同步加速器X射线方法,并使用两个同步加速器设施来研究电池中的电极:ESRF、法国格勒诺布尔的欧洲同步加速器和美国斯坦福的SLAC国家加速器实验室。“ESRF使我们能够以更高的分辨率研究更多的电池粒子,”弗吉尼亚理工大学的助理教授冯林说。在SLAC进行的补充实验,特别是纳米分辨率X射线光谱显微镜。

金属氧化物、硫化物、氟化物等材料由于其储能密度高,是电动汽车锂离子电池及其它技术的理想电极材料。然而,他们的储能能力会迅速衰退。现在,研究人员提出一种由廉价无毒的氧化铁材料磁铁矿制成的电极的方案——在5月20日的《自然通讯》在线版上有描述——这就解释了为什么锂电池会衰退。

据外媒报道,来自多个研究所的人员组成研究小组,对锂离子电池的电极进行迄今为止最全面的研究。他们发现,电池磨损的大部分原因在于反复充电。研究人员称,制造商可以利用他们得出的信息,为智能手机或汽车设计更可靠、更耐用的电池。珀杜大学机械工程助理教授Kejie Zhao说:“有时候,创造知识比解决电池电极损伤更有价值。以前,人们没有相关的技术或理论,来解释电池电极损伤这一问题。”

硬X射线相位对比纳米断层扫描显示,在整个电极厚度上,每个粒子的分辨率都非常高。这使我们能够在使用电池后跟踪每个电池的损坏程度。论文中大约一半的数据来自ESRF,”ESRF的科学家、论文的第一作者杨扬解释说。

根据他们的研究结果,科学家们提出了一种能力衰退的解释。

电动汽车所采用的锂离子电池技术,和智能手机、笔记本电脑以及几乎所有电子产品都一样,但这项技术的改进极其缓慢。虽然电动汽车可以满足大部分美国人日常出行的需要,而普通燃油车的行驶里程更远。除了充电站少这一问题,比起加油的时间,电池充电的时间也要长得多。为了提高锂离子电池的充电能力,增加电动汽车使用率,汽车行业不得不重新审视关于电池磨损的基础科学。

我们都经历过:你给手机充电了,用了一段时间后,电池电量异常迅速地下降。消费类电子产品似乎以不均匀的速度断电,这是由于电池的异质性。当手机充电时,顶层先充电,底层后充电。手机可能会显示它已经充电完成,此时顶部表面水平完成充电,但底部将是欠充电。但如果使用底层作为指纹,顶层将被过度充电,并且会出现安全问题。

“磁铁矿,以及其他转换型电极材料(即与锂反应时转化成全新产品的材料),可以比现在的电极材料储存更多的能量,因为它们可以容纳更多的锂离子,”研究负责人、功能纳米材料中心电子显微镜组组长——布鲁克海文国家实验室美国能源部科学用户设施办公室。“然而,这些材料的能力下降非常快,并取决于电流密度。例如,我们对磁铁矿进行的电化学测试表明,磁铁矿的容量在前10个高速充电和放电循环中迅速下降。”

每当电池充电时,锂离子就会在正负极之间来回移动。这些离子与电极中的粒子相互作用,导致它们随着时间的推移而破裂和降解。电极损坏会降低电池的充电能力。Zhao说,电池很难同时兼具高容量和可靠性。增加电池容量通常意味着牺牲可靠性。研究人员发现电池颗粒的降解不会同时同地发生,有些粒子比其他粒子失效更快,由此绘制出锂离子电池的损伤图。但是,现有方法无法完全捕捉到电池电极的损伤过程。为了进行详细研究,团队需要创造一种全新的技术。

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苏说:“我们在超高真空中进行的实时透射电镜研究使我们能够了解到,在初始循环后,随着锂的引入,岩盐氧化铁的结构是如何变化的。这项研究独特地代表了预循环样品的原位岩化。先前的原位研究只研究了初始充放电循环。但是,我们需要知道在许多周期内会发生什么,才能设计出更持久的电池,因为充电电极的结构与原始状态不同。”

研究人员求助于欧洲同步辐射装置(ESRF)和斯坦福同步辐射光源(SSRL)的同步加速器。这些大型同步加速器设施长达数英里,承载着几乎以光速运动的粒子,释放出辐射,产生同步X射线图像。弗吉尼亚理工大学的研究人员制造了用于测试的材料和电池,包括智能手机的口袋电池和手表的硬币电池等。ESRF和SSRL的研究人员,设法使这些机器可以一次扫描电池中尽可能多的电极粒子,然后生成X射线图像进行分析。颗粒表面的颗粒破裂和降解图,称为“界面脱粘”,现在可以作为了解电池电极损伤程度的参考工具。

本次论文的研究结果为电池中的微粒利用和褪色提供了一种诊断方法。这可以改善工业界如何设计快速充电电池的电极,”杨总结道。

为了找出这种不良循环稳定性背后的原因,科学家们描述了当电池完成100个循环时,磁铁矿的晶体结构和化学性质是如何演变的。在这些表征研究中,他们结合了CFN的透射电子显微镜和阿贡国家实验室DOE科学用户办公室高级光子源的同步辐射X射线吸收光谱。在透射电子显微镜中,电子束通过样品传输,以产生具有材料结构特征的图像或衍射图样;XAS使用X射线束来探测材料的化学性质。

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弗吉尼亚理工实验室制造了这些材料和电池,然后在ESRF和SLAC上测试它们的充电和退化行为。赵克杰,普渡大学的助理教授,领导了这个项目的计算建模工作。

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研究发现电池磨损的主要原因在于反复充电【广东11选5代理】。研究发现电池磨损的主要原因在于反复充电【广东11选5代理】。事实上,电池是由许多不同的部件组成的,它们的工作方式不同。固体聚合物有助于颗粒结合,碳添加剂提供电连接,然后由活性电池颗粒储存和释放能量。

一个国际研究小组近期在《先进能源材料》杂志上发表了关于电池失效过程中所发生的最广泛的研究,同时关注研究了电池的不同部分。其中欧洲同步加速器ESRF的作用对它的成功至关重要。

如果你有一个完美的电极,每一个粒子都应该以同样的方式运动。然而,电极是非常不均匀的,含有数以百万计的微粒。没有办法确保每个粒子同时以相同的方式运行。

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