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      芝加哥大學探討鋰離子電池降解機制-視訊

      來源: 蓋世汽車 時間: 2022-12-25 11:34:45

      鋰離子電池廣泛應用于手機和電動汽車等領域。但是,經過數百次充電循環后,鋰離子電池容易降解,直至完全無法充電。

      (圖片來源:芝加哥大學)

      據外媒報道,芝加哥大學普利茲克分子工程學院(PME)的研究人員結合使用高功率電子顯微鏡和計算模型,從原子層面準確了解鋰離子電池降解時會發生什么。這項研究指出了一種方法,通過關注一種經常被忽視的結構組分——碳結合域(carbon binder domain,CBD),可以設計更持久的鋰離子電池。研究負責人Y. Shirley Meng 教授表示:“這項工作是朝著更高效和可持續的電池技術邁出的一步?!?/p>


      (資料圖片僅供參考)

      在整個充電循環中,正、負極的活性物質會膨脹和收縮,不斷產生“顆粒裂紋”和其他物理損害,從而影響鋰離子電池的性能。以前,鋰離子電池的電極小而薄,研究人員曾對其中發生的顆粒裂紋和降解進行過表征。然而,為了開發更大的電動汽車電池,現在電極變得更厚、能量密度更高。

      加州大學圣地亞哥分校(University of California San Diego)的項目科學家Minghao Zhang表示,厚電極的動力學與薄電極的動力學有很大的不同?!霸诟?、能量更高的電極中,實際上降解程度要嚴重得多?!?/p>

      Zhang指出,對厚電極進行定量研究也更難。以前用于研究薄電極的工具,無法觀察更大、更致密材料的結構。

      結合顯微鏡和建模

      在這項新研究中,Meng、Zhang和賽默飛世爾科技(Thermo Fisher Scientific)的研究人員利用等離子聚焦離子束掃描電子顯微鏡(PFIB-SEM),觀察鋰離子電池厚正極內部發生的變化。PFIB-SEM利用聚焦的射線使離子和電子帶電,從而構建材料三維結構的超高分辨率圖像。

      研究人員利用成像方法來收集數據,包括一個全新的正極以及一個已經充電并耗盡15次的正極的數據。利用電子顯微鏡實驗數據,該團隊建立了計算模型,從而表明電池的降解過程。PME博士后研究員Mehdi Chouchane表示:“通過結合納米級分辨率實驗數據和模型,可以確定正極是如何降解的。如果沒有模型,很難確定發生了什么?!?/p>

      研究人員發現,電池各區域之間的差異,促使形成很多結構上的變化。正極表面的薄層更容易發生電解質腐蝕。因此,該頂層形成一個更厚的電阻層,導致底層的膨脹和收縮程度超過正極其他部分,從而加速降解。

      該模型還指出了CBD的重要性。CBD是一種由含氟聚合物和碳原子組成的多孔網絡,可以將電極中的活性物質聚集在一起,有助于通過電池傳導電能。以前的研究沒有表征,在電池使用過程中CBD是如何降解的。新的研究表明,隨著時間的推移,CBD與正極活性材料之間接觸的減弱,直接導致了鋰離子電池性能下降。

      Zhang表示:“這一變化甚至比活性物質的破裂更加明顯。過去,許多研究人員一直關注活性物質破裂的問題?!?/p>

      未來的電池

      該團隊利用這一正極模型,探討如何通過微調電極設計來改變降解現象。研究人員表示,改變CBD結構網絡,有助于防止CBD與活性物質之間接觸狀況的惡化,從而延長電池壽命?,F在,工程師們可以通過物理實驗來跟進這個假設。

      該團隊現正使用相同的方法來研究更厚的正極,并就如何減緩電極降解進行額外建模。賽默飛世爾科技的電池市場開發高級經理Dr. Zhao Liu表示:“這項研究開發了一種方法,主要涉及如何設計電極以提高未來電池的性能?!?/p>

      標簽: 芝加哥大學普利茲克分子工程學院 鋰離子電池降解機制

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