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芝加哥大學探討鋰離子電池降解機制

時間:2022-12-26 09:07來源:蓋世汽車作者:Elisha

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鋰離子電池廣泛應用于手機和電動汽車等領域。但是，經過數百次充電循環后，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生什么。這項研究指出了一種方法，通過關注一種經常被忽視的結構組分——碳結合域（carbon binder domain，CBD），可以設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的電池技術邁出的一步。”

在整個充電循環中，正、負極的活性物質會膨脹和收縮，不斷產生“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生的顆粒裂紋和降解進行過表征。然而，為了開發更大的電動汽車電池，現在電極變得更厚、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、更致密材料的結構。

結合顯微鏡和建模

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部發生的變化。PFIB-SEM利用聚焦的射線使離子和電子帶電，從而構建材料三維結構的超高分辨率圖像。

研究人員利用成像方法來收集數據，包括一個全新的正極以及一個已經充電并耗盡15次的正極的數據。利用電子顯微鏡實驗數據，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：“通過結合納米級分辨率實驗數據和模型，可以確定正極是如何降解的。如果沒有模型，很難確定發生了什么。”

研究人員發現，電池各區域之間的差異，促使形成很多結構上的變化。正極表面的薄層更容易發生電解質腐蝕。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絡，可以將電極中的活性物質聚集在一起，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的破裂更加明顯。過去，許多研究人員一直關注活性物質破裂的問題。”

未來的電池

該團隊利用這一正極模型，探討如何通過微調電極設計來改變降解現象。研究人員表示，改變CBD結構網絡，有助于防止CBD與活性物質之間接觸狀況的惡化，從而延長電池壽命。現在，工程師們可以通過物理實驗來跟進這個假設。

該團隊現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高級經理Dr. Zhao Liu表示：“這項研究開發了一種方法，主要涉及如何設計電極以提高未來電池的性能。”

(責任編輯：子蕊)

文章標簽：鋰離子電池

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