2019-02-12 06:54:01
研究人员使用X射线来了解电池快速充电的缺陷

虽然可以在几分钟内填充气罐,但为电动汽车的电池充电需要更长的时间。为了平衡竞争环境并使电动汽车更具吸引力,科学家们正致力于快速充电技术。

快速充电对于电动汽车来说非常重要,“美国能源部(DOE)阿贡国家实验室的电池科学家丹尼尔亚伯拉罕说。”我们希望能够在15分钟内为电动汽车充电,甚至如果可能的话更快。“

“通过准确了解锂在电极中的分布情况,我们能够准确地确定电池老化的不均匀方式。”阿贡电池科学家Daniel Abraham

快速充电的主要问题发生在锂离子从正极阴极传输到负极阳极期间。如果电池缓慢充电,则从阴极提取的锂离子逐渐在构成石墨阳极的碳原子平面之间自行插入 - 这一过程称为锂嵌入。

但是当这个过程加速时,锂最终会沉积在石墨表面作为金属,这被称为锂电镀。 “当发生这种情况时,电池的性能会受到严重影响,因为电镀锂不能从一个电极移动到另一个电极,”亚伯拉罕说。

根据亚伯拉罕的说法,这种锂金属会化学还原电池的电解质,导致形成固体电解质的相间,这种相间会束缚锂离子,因此它们不能在电极之间穿梭。结果,随着时间的推移,电池中可以存储更少的能量。

为了研究锂离子在电池内的运动,亚伯拉罕与博士后研究员Koffi Pierre Yao和Argonne X射线物理学家John Okasinski合作,在美国能源部科学用户设施办公室的高级光子源。在那里,Okasinski基本上通过使用X射线对阳极中的锂化石墨的每个相成像来创建电池的2D图像。

通过获得这种观点,研究人员能够精确量化电池充电和放电过程中阳极不同区域的锂含量。

在这项研究中,科学家们确定锂在快速充电条件下积聚在靠近电池隔板的区域。

亚伯拉罕解释说:“你可能只是从常识中得到这种感觉。” “但是通过准确了解锂在电极中的分布情况,我们能够准确地确定电池老化的不均匀方式。”

为了有选择地看到电池核心区域,研究人员使用了一种称为能量色散X射线衍射的技术。研究人员不是改变光束的角度来到达特定的感兴趣区域,而是改变入射光的波长。

通过使用X射线,Argonne的科学家们能够确定石墨层中存在的晶体结构。因为石墨是结晶材料,锂的插入导致石墨晶格膨胀到不同程度。 Okasinski说,这种层的膨胀作为衍射峰的差异是显着的,并且这些峰的强度给出了石墨中的锂含量。

虽然这项研究主要集中在小型纽扣电池上,但Okasinski表示,未来的研究可以研究更大的袋式电池中的锂电行为,如智能手机和电动汽车中的那些。

基于该研究的论文“使用操作数能量色散X射线衍射量化锂离子电池石墨电极中的锂浓度梯度”,发表在1月9日的能源与环境科学在线期刊上。

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