2019-06-04 20:06:01
电池的最详细的X射线图像尚未揭示为什么它们仍然不够好

电动汽车依赖于智能手机,笔记本电脑和几乎所有电子产品中的锂离子电池技术。

但该技术的改进速度极慢。虽然电动汽车不仅可以处理美国人平均每天的通勤时间,但是平均燃气动力汽车仍然可以在满罐油箱上走得更远,充电站很少,充电电池所需的时间要比装满油箱要长得多。

为了提高锂离子电池的充电容量并增加电动汽车的采用率,业界将不得不重新回到电池如何随着时间的推移磨损的基础科学。

多学院研究团队已经开发出了锂离子电池电极最全面的视图,其中大多数损坏通常发生在反复充电。研究人员表示,制造商可以利用这些信息为您的智能手机或汽车设计更可靠,更持久的电池。

“知识的创造有时比解决电池电极损坏问题更有价值,”普渡大学机械工程助理教授赵克杰说。 “以前,人们没有技术或理论来理解这个问题。”

这项技术在期刊“先进能源材料”和“力学与物理学杂志”中得到了解释,它本质上是一种由人工智能驱动的X射线工具。它可以使用机器学习算法自动扫描锂离子电池电极中的数千个粒子 - 一直到构成粒子本身的原子。

当然,电池电极实际上有数百万个颗粒。但研究人员现在可以比以前更彻底地分析它们 - 并且在我们在现实世界中使用商用电池的各种操作条件下,例如它们的电压窗口以及它们充电的速度。

“大部分工作都集中在单个颗粒水平上,并使用该分析来了解整个电池。但是那里显然存在差距;微米级的单个颗粒和更大规模的整个电池之间存在很大差异,”赵说,他的实验室研究了电池的机械和电化学方面如何相互影响的基础科学。

每次电池充电时,锂离子在正电极和负电极之间来回传播。这些离子与电极中的颗粒相互作用,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容量。

赵说,电池很难同时具有高容量和可靠性。增加电池容量通常意味着牺牲其可靠性。

研究人员在制定锂离子电池损坏方面的工作始于他们发现电池颗粒的降解不会同时或在同一地点发生;有些粒子比其他粒子更快失败。

但要真正更详细地研究这一点,团队需要完全创造一种新技术;现有方法不能完全捕获电池电极的损坏。

研究人员转向欧洲同步辐射装置(ESRF)和SLAC国家实验室斯坦福同步辐射光源(SSRL)的大型,长达数英里的同步加速器设施。这些设施容纳以几乎光速行进的粒子,发出用于产生称为同步加速器X射线的图像的辐射。

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 - 从智能手机中的袋式电池到手表中的纽扣电池。 ESRF和SSRL的研究人员创造了在一次扫描中尽可能多地扫描这些电池中的电极粒子的能力,然后生成这些X射线图像用于分析。颗粒表面的颗粒破裂和降解图谱称为“界面剥离”,现在可以作为了解电池电极损伤程度的参考工具。

为了解这些裂缝如何影响电池性能,赵在普渡大学的团队开发了理论和计算工具。例如,他们发现,由于锂离子来回穿梭的地方(称为“隔板”)比电极材料底部附近的颗粒更常用,因此它们更快失效。

电极颗粒损坏或“异质降解”的这种可变性在较厚的电极和快速充电条件下更严重。

“电池的容量并不取决于电池中有多少颗粒;重要的是锂离子的使用方式,”赵说。

该项目的目标不是每个研究人员和行业参与者都使用该技术本身 - 特别是考虑到美国只有少数几个同步加速器 - 但这些团队使用该技术产生的知识。研究人员计划继续使用该技术记录损坏的发生情况并影响商用电池的性能。

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