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劍橋大學(xué)新研究觀察鋰離子流動有望提高電動車電池的充放電性能表現(xiàn)

時間:2022-12-06 09:52來源:cnBeta 作者:綜合報道

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研究人員發(fā)現(xiàn)，下一代電池材料的性能和容量可能因鋰離子的不規(guī)則運(yùn)動而受到阻礙。由劍橋大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的研究小組實(shí)時監(jiān)測了一種潛在的新電池材料內(nèi)部的鋰離子流動。之前人們認(rèn)為，鋰離子儲存在電池材料中的機(jī)制對每個活性粒子來說是統(tǒng)一的。然而，劍橋大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的研究發(fā)現(xiàn)，在充放電循環(huán)中，鋰的儲存并不均勻。

當(dāng)電池的放電周期接近尾聲時，活性粒子的表面變得鋰飽和，而其核心則缺乏鋰。這導(dǎo)致了容量的減少和可重復(fù)使用的鋰的損失。

法拉第研究所資助的這項(xiàng)研究可能有助于推動現(xiàn)有電池材料的發(fā)展，并加速下一代電池的創(chuàng)造。該研究結(jié)果最近發(fā)表在《焦耳》雜志上。

為了向零碳經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)變，發(fā)展電動汽車（EV）是必不可少的手段。由于其巨大的能量密度，鋰離子電池為目前道路上的大多數(shù)電動汽車提供動力。然而，隨著電動車使用量的增加，對更大范圍和更快充電時間的要求，需要改進(jìn)現(xiàn)有的電池材料，并發(fā)現(xiàn)新的材料。

這些材料中最有前途的一些是被稱為層狀富鎳鋰氧化物的最先進(jìn)的正極材料，它們被廣泛用于高級電動汽車。然而，它們的工作機(jī)制，特別是在實(shí)際操作條件下的鋰離子傳輸，以及這與它們的電化學(xué)性能是如何聯(lián)系在一起的還沒有被充分理解，所以我們還不能從這些材料中獲得最大的性能。

通過在顯微鏡下跟蹤電池運(yùn)行過程中光與活性顆粒的相互作用，研究人員觀察到富鎳錳鈷氧化物（NMC）在充放電循環(huán)中的鋰存儲存在明顯差異。

“這是第一次在單個顆粒中直接觀察到鋰存儲的這種不均勻性，”來自劍橋大學(xué)優(yōu)素福-哈米德化學(xué)系的共同第一作者Alice Merryweather說。“像我們這樣的實(shí)時技術(shù)對于在電池循環(huán)時捕捉這種情況是至關(guān)重要的。”

結(jié)合實(shí)驗(yàn)觀察和計算機(jī)建模，研究人員發(fā)現(xiàn)，非均勻性源于充放電周期中NMC中鋰離子擴(kuò)散速度的急劇變化。具體來說，鋰離子在完全鋰化的NMC顆粒中擴(kuò)散緩慢，但一旦從這些顆粒中提取一些鋰離子，擴(kuò)散就會明顯增強(qiáng)。

“我們的模型提供了對NMC中鋰離子擴(kuò)散在充電早期階段的變化范圍的見解，”來自劍橋大學(xué)工程系的共同第一作者Shrinidhi S. Pandurangi博士說。"我們的模型準(zhǔn)確地預(yù)測了鋰的分布，并捕捉到了實(shí)驗(yàn)中觀察到的異質(zhì)性程度。這些預(yù)測是理解其他電池降解機(jī)制的關(guān)鍵，如顆粒斷裂。"

重要的是，在放電結(jié)束時看到的鋰的異質(zhì)性確定了富鎳正極材料在第一次充放電循環(huán)后通常會損失大約10%的容量的原因之一。共同第一作者、上海理工大學(xué)的徐超博士說："這很重要，考慮到用于確定電池是否應(yīng)該退役的一個行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是當(dāng)它失去20%的容量。"

研究人員現(xiàn)在正在尋求新的方法來提高這些有前途的電池材料的實(shí)際能量密度和壽命。

(責(zé)任編輯：子蕊)

文章標(biāo)簽：電池電動車鋰離子

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