研究發現電池正極上的裂紋會加快EV充電速度
時間:2023-08-06 13:14來源:蓋世汽車 作者:Elisha
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（圖片來源：密歇根大學）
許多電動汽車制造商的觀點與此不同，通常會盡量減少裂紋，以免縮短電池的使用壽命。密歇根大學材料科學與工程學助理教授Yiyang Li表示：“許多公司希望使用不會破裂的顆粒來制造‘百萬英里’電池。然而，如果去除裂紋，就不會有這些裂紋帶來的額外表面積，電池顆粒將無法快速充電。在旅行時，用戶并不希望等待5個小時來給汽車充電，而是希望在15或30分鐘內充滿電。”
該團隊認為，這一發現適用于一半以上的電動汽車電池，其中這些電池的正極由數萬億個由鋰鎳錳鈷氧化物或鋰鎳鈷鋁氧化物制成的微顆粒組成。
理論上來說，正極電荷的速度取決于顆粒的表面積與體積之比。小顆粒比大顆粒的充電速度更快，因為它們相對于體積有更高的表面積，從而縮短其中鋰離子的擴散距離。然而，傳統方法無法直接測量單個正極顆粒的充電特性，只能測量構成電池正極的所有顆粒的平均值。這意味著以往對充電速度和正極顆粒大小之間關系的認識，僅僅是一種假設。
密歇根大學材料科學與工程學博士生Jinhong Min表示：“研究發現正極顆粒破裂后，具有更多的活性表面來吸收鋰離子，不僅在顆粒外表面，而且在裂紋內部。研究人員已經知道顆粒會發生破裂，但尚未測量破裂狀態如何影響充電速度。”
了解正極裂紋的優點，關鍵在于測量單個正極顆粒的充電速度。為了做到這一點，研究人員將這些顆粒插入神經科學家常用來研究單個腦細胞如何傳輸電信號的裝置。Li表示：“一位研究神經科學的同事曾向我展示用來研究單個神經元的陣列。我想知道，我們是否也可以用它們來研究電池顆粒，因為顆粒大小與神經元相似。”
每個陣列都是定制設計的2 x 2厘米芯片，具有多達100個微電極。在芯片中心布散一些正極顆粒，然后，研究人員使用比人類頭發絲細約70倍的針，將單個顆粒移到陣列上各自的電極上。當顆粒就位后，研究人員可以在陣列上同時對最多4個單獨的顆粒進行充放電。在這項特定的研究中，研究人員測量了21個顆粒。
實驗表明，正極顆粒的充電速度并不取決于其大小。研究人員認為，這極有可能是因為較大的顆粒在破裂時，實際上表現得像較小顆粒的集合。另一種可能性是，鋰離子在晶界（構成正極顆粒的納米級晶體之間的微小空間）中移動得非常快。但是，Li認為這不太可能，除非電池的電解質穿透這些邊界，形成裂縫。
研究人員在設計具有不破裂單晶顆粒的長壽命電池時，必須考慮破裂材料的優點。為了實現快速充電，這些顆粒可能要小于現在的正極破裂顆粒。Li表示，另一種選擇是用不同的材料來制造單晶正極，從而更快地移動鋰。但是，這些材料可能能量密度較低，或者其中必要的金屬供應有限。
(責任編輯：子蕊)
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