科學家從內到外研究電極顆粒的化學性質
時間:2020-09-18 17:03來源:蓋世汽車 作者:Elisha
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美國SLAC國家加速器實驗室
構成鋰離子電池電極的微粒雖小但威力巨大：它們決定了電池的電荷存儲量、充放電速度，以及在某段時間內的電量變化趨勢。對于電動汽車或電子設備來說，這些都是決定性能的重要因素。粒子表面產生裂紋或發生化學反應后會降低性能，隨著時間的推移，整個粒子吸收和釋放鋰離子的能力也會逐漸改變。科學家們對這二者都已進行過研究，但從未同時對單個粒子的表面和內部進行過觀察，以了解粒子之間的相互影響。
據外媒報道，在一項新研究中，美國SLAC國家加速器實驗室的Yijin Liu帶領研究小組做到了這一點。他們將一個電池正極粒子（約紅細胞那么大）插在針尖上，用兩臺X射線儀器對其表面和內部進行3D探測。他們發現，在粒子表面的不同位置上，所產生的裂紋和化學變化的差異很大，并且與粒子內部深處的微觀裂紋相對應，從而減弱粒子儲存能量的能力。
Yijin Liu表示：“結果表明，粒子的表面和內部基本上是互通的。了解它們之間的化學對話，可以幫助我們對整個粒子進行設計，加快電池循環。”
內外皆有損傷
鋰離子電池電極由很多微粒構成，而每個粒子中還含有更小的顆粒。它們的結構和化學性質是決定電池性能的關鍵因素。在電池充放電過程中，鋰離子會從粒子的原子之間的空間出入，導致粒子膨脹和收縮。隨著時間的推移，這會使粒子破裂，降低它們吸收和釋放離子的能力。粒子還會與周圍的電解質反應，形成表面層體，阻止離子出入。隨著裂紋擴大，電解液會進一步滲透，破壞內部結構。
這項研究集中在由富鎳氧化層制成的粒子上。理論上來說，與目前的電池材料相比，這種氧化物可以儲存更多的電荷。此外，它的鈷含量較低，因此成本更低。但是，這種材料存在一個問題：經過多次高壓充電過程，這些微粒的儲能能力會迅速消失。快速充電電動汽車通常采用高壓充電系統。
開發下一代材料
科學家們一直在研究兩種基本方法，以最大限度地減少損害，提高顆粒的性能:在表面涂上一層保護涂層，或以不同的方式將顆粒包在一起，以改變內部結構。Liu說：“兩種方法可能都有效，把它們結合起來會更有效，我們應著眼于更大的前景。”
研究人員Shaofeng Li負責X射線實驗，用兩臺儀器檢測充電電池的針式安裝正極粒子，一臺掃描表面，另一臺探測內部。基于這些結果，普渡大學副教授Kejie Zhao帶領理論學家開發了一個計算機模型，展示電荷如何在12分鐘內破壞粒子，以及這種破壞模式如何反映粒子表面和內部的相互作用。“從得到的圖像可以看出，粒子中到處都有變化。例如，表面上的某些區域比其它區域更易降解，從而影響內部的反應，反過來這又會使表面以不同的方式退化。”
研究團隊計劃，在他們以前研究過的其他電極材料上應用這項技術，并重點關注充電速度如何影響損傷模式。“你希望能在10分鐘內給你的電動車充電，而不是幾個小時。這將是后續研究的重要方向。”
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