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为什么电池会衰减?搞清电池的“内因”才能开发更好的锂电池

为什么电池会衰减?搞清电池的“内因”才能开发更好的锂电池

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不知道你有没有注意到,你的无线猫咪饮水机里有刚充过电的AA锂电池,可以用上两天,但它们曾经充电一次就可以持续一周或更长时间,再往后,充电一次就只能坚持一天。很快便会出现用不了的情况。


没有什么东西能永远持续下去,即使是那些被认为是持久的可充电电池,无论是从商店买来的aa电池,还是我们手机、无线耳机或汽车里的电池。电池会随着时间推移而失去“力量”。


弗吉尼亚理工学院(Virginia Tech College of Science)化学系副教授冯林(Feng Lin)是今天发表在《科学》(Science)上的一项新的国际、多机构/大学研究的一部分,该研究重新审视了驱动电池寿命的因素,以及这些因素在快速充电条件下如何随时间变化。研究发现,在早期,电池的衰变似乎是由单个电极粒子的特性驱动的,但经过几十次充电循环后,更重要的是这些粒子如何组合在一起。

林说:“这项研究确实揭示了我们如何设计和制造电池电极,以获得较长的电池循环寿命。当电极结构允许每个粒子快速响应电信号时,我们将有一个很好的工具箱来快速给电池充电。我们很高兴能够实现对下一代低成本快速充电电池的理解。”他的实验室现在正致力于重新设计电池电极,目标是制造出既能提供快速充电能力,又能以目前成本的一小部分维持更长寿命,同时又环保的电极结构。


这项研究是与美国能源部SLAC国家加速器实验室、普渡大学和欧洲同步辐射设施合作进行的,林是该研究的联合高级作者。林实验室的博士后研究员许正瑞和侯冬也是论文的合著者,他们领导了电极制造、电池制造和电池性能测量,并协助进行X射线实验和数据分析。


斯坦福同步辐射光源(SSRL)研究员、该论文资深作者、SLAC科学家刘益金(Yijin Liu)说:“基本的构件是构成电池电极的这些粒子,但当你缩小时,这些粒子会相互作用。因此,如果你想制造更好的电池,你需要看看如何将粒子组合在一起。”


作为研究的一部分,林、刘和其他同事利用计算机视觉技术研究了组成可充电电池电极的单个粒子如何随着时间的推移分解。这一次的目标不仅仅是研究单个粒子,而是研究它们共同作用延长或降低电池寿命的方式。自然的最终目标是:学习新的方法,让电池设计更具生命力。

作为研究的一部分,该团队用X射线研究了电池阴极。他们用X射线断层扫描技术重建了电池经过不同充电周期后阴极的3D图像。然后,他们将这些3D图片切割成一系列2D切片,并使用计算机视觉方法识别粒子。


研究人员最终确定了2000多个颗粒,他们不仅计算了颗粒的大小、形状和表面粗糙度等特征,还计算了颗粒之间直接接触的频率和颗粒形状的变化等特征。


接下来,他们研究了这些特性是如何导致粒子破裂的,并出现了一个引人注目的模式。在10次充电循环后,最大的因素是单个颗粒的性质,包括颗粒的球形程度以及颗粒体积与表面积的比率。然而,在50次循环后,配对和分组属性,例如两个粒子之间的距离、它们的形状有多不同,以及是否有更细长、足球形状的粒子定向,同样会驱动粒子崩溃。


这不再仅仅是粒子本身。重要的是粒子之间的相互作用,这很重要,因为这意味着制造商可以开发出控制这些特性的技术。例如,他们可能能够利用磁场或电场将细长的粒子相互对齐,新的结果表明这将延长电池寿命。


我们一直在研究如何让电动汽车电池在快速充电和低温条件下高效工作。除了通过使用更便宜、更丰富的原材料来设计能够降低电池成本的新材料外,我们的实验室还一直致力于了解电池的行为远远不平衡,”林说,“我们已经开始研究电池材料及其对这些恶劣条件的反应。


普渡大学教授、资深合著者赵将退化问题比作群体工作。电池颗粒就像人一样,我们都开始走自己的路,但最终,我们会遇到其他人,我们会成群结队地朝着同一个方向前进。为了理解最高效率,我们需要研究粒子的个体行为以及这些粒子在群体中的行为。


注:文章内的所有配图皆为网络转载图片,侵权即删!

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