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美國利用X射線斷層攝影術(shù)觀察固態(tài)鋰電池內(nèi)部
時(shí)間:2021-02-01 09:14來源:蓋世汽車 作者:Fairy
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固態(tài)電池在佐治亞理工學(xué)院設(shè)計(jì)的定制硬件中充放電（圖片來源：佐治亞理工學(xué)院）
據(jù)外媒報(bào)道，美國佐治亞理工學(xué)院（Georgia Institute of Technology）的一個(gè)研究小組利用X射線斷層攝影術(shù)觀察到固態(tài)鋰電池在充放電過程中，其材料的內(nèi)部演變過程。該項(xiàng)研究獲得的詳細(xì)三維信息可幫助改進(jìn)固態(tài)電池的可靠性和性能，此種電池采用了固態(tài)材料取代了現(xiàn)有鋰離子電池中的易燃液體電解質(zhì)。
該種現(xiàn)場(chǎng)原位同步X射線計(jì)算微斷層攝影術(shù)成像揭示了鋰/固體電解質(zhì)界面上電極材料的動(dòng)態(tài)變化如何決定固態(tài)電池的行為。研究人員發(fā)現(xiàn)，電池運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致該界面上形成空洞，從而無法制造接觸，這也是電池電芯失效的主要原因。
現(xiàn)在，移動(dòng)電子設(shè)備、電動(dòng)汽車等都在廣泛采用鋰離子電池，此種電池依賴液體電解質(zhì)，在電池的充放電循環(huán)過程中，在電極之間來回運(yùn)輸離子。此種液體均勻地覆蓋在電極上，可以讓離子自由移動(dòng)。
快速發(fā)展的固態(tài)電池技術(shù)則采用了固態(tài)電解質(zhì)，此種電解質(zhì)能夠提升未來電池的能量密度和安全性。但是，從電極上去除鋰會(huì)在界面上造成空洞，從而影響電池的可靠性，限制了電池的使用壽命。
研究人員表示：“為了解決這個(gè)問題，可以想象成通過不同的沉積工藝打造結(jié)構(gòu)化界面，以在電池充放電過程中保持接觸。仔細(xì)控制和打造此類界面結(jié)構(gòu)對(duì)于研發(fā)未來固態(tài)電池非常重要，我們的研究成果也有助于設(shè)計(jì)此種界面。”
用x射線斷層掃描重建的電池內(nèi)鋰/固體電解質(zhì)界面的3D視圖（圖片來源：佐治亞理工學(xué)院）
佐治亞理工學(xué)院研究小組在論文第一作者兼研究生Jack Lewis的帶領(lǐng)下，打造了寬約為兩厘米的特制測(cè)試電芯，然后在芝加哥附近美國能源部辦公室阿貢國家實(shí)驗(yàn)室（Argonne National Laboratory）的同步設(shè)施——先進(jìn)光子源（Advanced Photon Source）進(jìn)行研究。該小組的四名成員在為期5天的密集實(shí)驗(yàn)中研究了電池結(jié)構(gòu)的變化。
研究人員表示：“該儀器會(huì)從不同方向拍攝照片，然后可以利用計(jì)算機(jī)算法重建，提供電池隨著時(shí)間推移所呈現(xiàn)的3D圖片。我們?cè)陔姵爻浞烹娺^程中，對(duì)電池變化進(jìn)行成像，以將電池運(yùn)行時(shí)其內(nèi)部的變化實(shí)現(xiàn)可視化。”
由于鋰很輕，用X射線將其成像非常具有挑戰(zhàn)性，而且需要特殊設(shè)計(jì)的測(cè)試電芯。阿貢國家實(shí)驗(yàn)室采用的技術(shù)與醫(yī)學(xué)計(jì)算機(jī)斷層攝像（CT）掃描非常相似，只是不是對(duì)人成像，而是對(duì)電池成像。
不過，由于測(cè)試具有局限性，研究人員只能觀察到電池單次充放電循環(huán)中的結(jié)構(gòu)變化。在未來的研究中，研究人員希望能夠在多次循環(huán)中觀察到變化，以及觀察到該結(jié)構(gòu)是否適應(yīng)了空洞的形成以及填充了空洞。研究人員認(rèn)為，該研究成果可能適用于其他電解質(zhì)設(shè)計(jì)配方，而此種表征技術(shù)能夠用于獲取其他電池工藝的信息。
電動(dòng)汽車的電池必須在預(yù)計(jì)15萬英里的壽命內(nèi)承受至少1000次充放電循環(huán)，而由鋰金屬電極制成的固態(tài)電池在特定尺寸下能夠提供更多的能量。但是，除非固態(tài)電池的使用壽命與現(xiàn)有電池相當(dāng)，否則其優(yōu)勢(shì)仍然無法超越現(xiàn)有的電池技術(shù)。
研究人員表示：“我們對(duì)固態(tài)電池的技術(shù)發(fā)展前景感到非常興奮，在該領(lǐng)域可以實(shí)現(xiàn)巨大的商業(yè)和科學(xué)利益，而且該項(xiàng)研究獲取的信息可以推動(dòng)該技術(shù)實(shí)現(xiàn)更廣泛的商業(yè)應(yīng)用。”
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