研究人員利用高能X射線繪制性能變化圖 以確定鋰金屬電池失效原因

時間:2021-04-25 09:09來源:蓋世汽車 作者:Elisha
點擊: 次
（圖片來源：布魯克海文實驗室）
 
       據(jù)外媒報道，科學家們發(fā)現(xiàn)領(lǐng)先鋰金屬電池失效的主要原因。對于遠距離電動汽車來說，這一發(fā)現(xiàn)具有重要意義。研究人員利用高能X射線，跟蹤電池中數(shù)千個不同的點，觀察由循環(huán)引起的變化，并繪制了性能變化圖。在每一個點上，都使用X射線數(shù)據(jù)來計算正極材料的數(shù)量及其局部電荷狀態(tài)。通過這些研究結(jié)果，并結(jié)合互補式電化學測量，從而確定在多次充放電循環(huán)后導致電池容量衰減的主要機制。據(jù)介紹，電池失效的主要原因在于液體電解質(zhì)耗盡。在每個充放電周期中，電解液負責在充電電池的兩個電極之間傳輸鋰離子。
 
       由美國能源部布魯克海文國家實驗室化學部和石溪大學化學系聯(lián)合任命的通訊作者Peter Khalifah表示：“這種電池使用鋰金屬做負極，而不是目前用的石墨材料，其最大優(yōu)勢在于能量密度很高。增加電池材料在一定質(zhì)量下可以儲存的能量，是延長電動汽車續(xù)航里程的最好辦法。”然而，要讓鋰金屬負極在連續(xù)循環(huán)充電電池中良好工作，同時保持高能量密度，非常具有挑戰(zhàn)性。鋰金屬很活潑，在電池循環(huán)過程中，越來越多的鋰會發(fā)生降解，并逐漸消耗電池的其他關(guān)鍵部件，比如液體電解質(zhì)。
 
       2020年，Battery500聯(lián)盟的研究人員將電池循環(huán)壽命提高到400次。為了滿足電動汽車的需求，該機構(gòu)尋求實現(xiàn)1000次或更長的壽命。研究人員表示，為了制造出循環(huán)時間更長的高能量密度鋰金屬電池，需要了解真實的“袋狀電芯”電池的失效機制。
 
       袋狀電芯是一種密封的矩形電池，在工業(yè)應(yīng)用中得到廣泛使用。比起為家用電子產(chǎn)品供電的圓柱形電芯，能夠更有效地利用空間，因此是車輛封裝的最佳選擇。在這項研究中，美國能源部太平洋西北國家實驗室（PNNL）的科學家，利用PNNL的先進電池設(shè)施（ABF），制造出多層袋狀電芯幾何結(jié)構(gòu)鋰金屬電池原型。
 
       接下來，美國能源部愛達荷州國家實驗室(INL)的科學家對其中一個多層袋狀電芯進行了電化學測試。測試結(jié)果顯示，在最初的170個周期中，只有15%的電芯出現(xiàn)容量損耗。然而，在接下來的25個周期中，有75%出現(xiàn)容量損耗。為了解末期容量衰減的原因，他們從電芯的七個正極層中提取其中一層，并將其送到布魯克海文實驗室，利用國家同步加速器光源II(NSLS-II)的X射線粉末衍射(XPD)光束線進行研究。
       在XPD中，照射到樣品上的X射線只以一定角度反射，從而產(chǎn)生特有的圖案。這種衍射圖可以提供樣品結(jié)構(gòu)的多方面信息，包括電芯單元的體積（結(jié)構(gòu)中最小的重復(fù)部分），以及原子在電芯單元內(nèi)的位置。
 
       研究團隊主要想了解鋰金屬負極，但其X射線衍射圖案很弱(因為鋰的電子很少)，而且在電池循環(huán)過程中變化不大(仍然是鋰金屬)。因此，研究人員通過研究鋰鎳錳鈷氧化物(NMC)正極中密切相關(guān)的變化，來間接探測負極的變化，因為NMC的衍射圖案要強得多。Khalifah解釋說：“如果負極開始失效，它的問題將反映在正極上，因為正極附近的區(qū)域?qū)o法有效地吸收和釋放鋰離子。”
 
       在實驗過程中，XPD光束線起到了關(guān)鍵作用。由于能量很高，這條光束線上的X射線可以完全穿透電池電芯，即使是幾毫米厚的電芯。通過該光束的高強度和大二維面積探測器，科學家能夠快速收集電池上數(shù)千個點的高品質(zhì)衍射數(shù)據(jù)。
 
       研究人員表示：“對于每個點，我們大約在一秒內(nèi)就能得到高分辨率衍射圖案，因此只需兩個小時就可以繪制出電池的整個區(qū)域。比起使用傳統(tǒng)實驗室X射線源產(chǎn)生的X射線，要快100多倍。”
 
       他們繪制的第一個量是單個正極層的荷電狀態(tài)(SOC)，即電池中的剩余能量與“充滿”狀態(tài)時的能量之比。100% SOC意味著電池充滿了電，能量值達到最高點。隨著電池的使用，該百分比會下降。
 
       例如，一臺顯示80%電量的筆記本電腦的SOC為80%。在化學術(shù)語中，SOC對應(yīng)于正極中的鋰含量，在循環(huán)過程中鋰被可逆性插入和移除。當鋰被移除時，正極的電芯單元數(shù)量會縮小，通過X射線衍射測量，很容易確定這一點。因此，可以敏銳地測量出每個點的局部SOC。任何局部區(qū)域出現(xiàn)性能下降，其SOC都會與正極其余部分有所不同。
       SOC繪制圖顯示了三個“熱點”，每個熱點的直徑都有幾毫米，其局部性能比電池其他部分的性能差得多。熱點區(qū)域的NMC正極只有一部分循環(huán)有問題，其余部分可與電芯保持同步。由此可以看出，電池容量衰減是由于液體電解液被部分破壞，這會導致電池“凍結(jié)”在當前的SOC。
 
       其他可能導致電池容量衰減的原因，如隨著電極表面形成降解產(chǎn)物，鋰金屬負極出現(xiàn)損耗或逐漸喪失鋰離子或電子導電性，不會使熱點區(qū)域同時存在活性和非活性NMC正極。
 
       在由INL團隊成員領(lǐng)導進行的后續(xù)實驗中，研究人員測試較小的紐扣電芯，通過故意耗盡電解質(zhì)使其失效。結(jié)果顯示，這種電芯表現(xiàn)出與大袋狀電芯相同的行為，從而證實失效機制。
 
       “從同步加速器X射線和電化學數(shù)據(jù)來看，電解液耗盡是與這些數(shù)據(jù)最一致的失效機制。在電芯的許多區(qū)域，我們看到電解液部分耗盡，這使離子傳輸變得更加困難，但也不是完全不可能。而在三個熱點區(qū)域，電解液基本上用完了，根本無法進行循環(huán)。”
 
       除了精確定位失效最快的熱點位置外，該同步加速器X射線衍射研究，還通過提供正極上每個位置存在的NMC數(shù)量，揭示失效原因。失效最嚴重的區(qū)域，通常比電芯其余部分的NMC數(shù)量更少。當存在的NMC正極較少時，該部分電池會更快、更徹底地進行充放電，從而導致電解液消耗得更快，并加速這些區(qū)域最終失效。即使正極數(shù)量輕微減少(5%或更少)也會加速失效。因此，改進制造工藝以生產(chǎn)更均勻的正極，能夠延長電池壽命。
 
       在未來的研究中，該團隊計劃繪制電池充電和放電時發(fā)生的變化。
 
       研究人員表示：“在這項研究中，我們觀察到電池壽命接近尾聲時的一張快照。重要的是，這項技術(shù)展現(xiàn)出足夠的靈敏度，應(yīng)該能夠應(yīng)用于運行中的電池。如果我們能夠在電池循環(huán)時收集衍射數(shù)據(jù)，將獲得不同的部件隨時間而變化的影像。通過這些信息，可以看到更完整的故障發(fā)生圖景，幫助我們設(shè)計出性能更好的電池。”
 
(責任編輯：子蕊)
作者：Elisha ，如若轉(zhuǎn)載，請注明出處：http://www.m.astra-soft.com/qianyan//2021042535995.html
看完這篇還不夠？如果你也也是同行業(yè)需要發(fā)布您的新聞報道，請 戳這里 告訴我們！
免責聲明：本文僅代表作者個人觀點，與中國電池聯(lián)盟無關(guān)。其原創(chuàng)性以及文中陳述文字和內(nèi)容未經(jīng)本網(wǎng)證實，對本文以及其中全部或者部分內(nèi)容、文字的真實性、完整性、及時性本站不作任何保證或承諾，請讀者僅作參考，并請自行核實相關(guān)內(nèi)容。
凡本網(wǎng)注明 “來源：XXX（非中國電池聯(lián)盟）”的作品，均轉(zhuǎn)載自其它媒體，轉(zhuǎn)載目的在于傳遞更多信息，并不代表本網(wǎng)贊同其觀點和對其真實性負責。
如因作品內(nèi)容、版權(quán)和其它問題需要同本網(wǎng)聯(lián)系的，請在一周內(nèi)進行，以便我們及時處理。
QQ：503204601
郵箱：cbcu@m.astra-soft.com
猜你喜歡
專題
相關(guān)新聞
本月熱點
歡迎投稿
聯(lián)系人：王女士
Email：cbcu#m.astra-soft.com
發(fā)送郵件時用@替換#
電話：010-53100736
在線投稿
企業(yè)微信號
微信公眾號
主站蜘蛛池模板： h视频在线观看免费完整版| 亚州人成网在线播放| AV无码久久久久不卡蜜桃| 精品久久久久国产免费| 成人啪精品视频免费网站| 国产一区二区三区免费在线视频 | 欧美三级黄视频| 国产老女人精品免费视频| 亚洲第九十九页| 8888四色奇米在线观看不卡| 欧美综合区自拍亚洲综合天堂| 国产高清在线不卡| 亚洲国产成人精品无码一区二区| 7777精品伊人久久久大香线蕉| 欧美极度另类videos| 国产精品一区二区久久不卡| 亚洲av无码一区二区三区dv | 狠狠躁夜夜人人爽天96| 大香煮伊在2020久| 亚洲第一极品精品无码久久| 91呻吟丰满娇喘国产区| 欧美亚洲一区二区三区| 国产成人无码免费看片软件| 久久午夜无码鲁丝片午夜精品| 色悠久久久久久久综合网| 成人妇女免费播放久久久| 免费在线看黄网址| 999久久久无码国产精品| 欧美大BBBBBBBBBBBB| 国产成人手机高清在线观看网站| 久久久受www免费人成| 美女扒开屁股让男人桶| 天天拍拍夜夜出水| 亚洲天堂中文网| 黄网站在线播放视频免费观看| 无码人妻一区二区三区av | 香蕉视频免费在线| 成年女人免费碰碰视频| 人善交VIDE欧美| xxxxx在线| 日韩av午夜在线观看|