鋰離子
電池廣泛應用于手機和電動汽車等領(lǐng)域。但是,經(jīng)過數(shù)百次充電循環(huán)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(jù)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(jié)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(fā)生什么。這項研究指出了一種方法,通過關(guān)注一種經(jīng)常被忽視的結(jié)構(gòu)組分——碳結(jié)合域(carbon binder domain,CBD),可以設(shè)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(xù)的電池技術(shù)邁出的一步。”
在整個充電循環(huán)中,正、負極的活性物質(zhì)會膨脹和收縮,不斷產(chǎn)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(fā)生的顆粒裂紋和降解進行過表征。然而,為了開發(fā)更大的電動汽車電池,現(xiàn)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。“在更厚、能量更高的電極中,實際上降解程度要嚴重得多。”
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(jié)構(gòu)。
結(jié)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(nèi)部發(fā)生的變化。PFIB-SEM利用聚焦的射線使離子和電子帶電,從而構(gòu)建材料三維結(jié)構(gòu)的超高分辨率圖像。
研究人員利用成像方法來收集數(shù)據(jù),包括一個全新的正極以及一個已經(jīng)充電并耗盡15次的正極的數(shù)據(jù)。利用電子顯微鏡實驗數(shù)據(jù),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(jié)合納米級分辨率實驗數(shù)據(jù)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(fā)生了什么。”
研究人員發(fā)現(xiàn),電池各區(qū)域之間的差異,促使形成很多結(jié)構(gòu)上的變化。正極表面的薄層更容易發(fā)生電解質(zhì)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(wǎng)絡(luò),可以將電極中的活性物質(zhì)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(zhì)的破裂更加明顯。過去,許多研究人員一直關(guān)注活性物質(zhì)破裂的問題。”
未來的電池
該團隊利用這一正極模型,探討如何通過微調(diào)電極設(shè)計來改變降解現(xiàn)象。研究人員表示,改變CBD結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò),有助于防止CBD與活性物質(zhì)之間接觸狀況的惡化,從而延長電池壽命,F(xiàn)在,工程師們可以通過物理實驗來跟進這個假設(shè)。
該團隊現(xiàn)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(fā)高級經(jīng)理Dr. Zhao Liu表示:“這項研究開發(fā)了一種方法,主要涉及如何設(shè)計電極以提高未來電池的性能。”
(責任編輯:子蕊)