芝加哥大學(xué)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(yīng)用于手機和電動汽車等領(lǐng)域。但是，經(jīng)過數(shù)百次充電循環(huán)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(xué)）
 
       據(jù)外媒報道，芝加哥大學(xué)普利茲克分子工程學(xué)院（PME）的研究人員結(jié)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(fā)生什么。這項研究指出了一種方法，通過關(guān)注一種經(jīng)常被忽視的結(jié)構(gòu)組分——碳結(jié)合域（carbon binder domain，CBD），可以設(shè)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(xù)的電池技術(shù)邁出的一步。”
 
       在整個充電循環(huán)中，正、負極的活性物質(zhì)會膨脹和收縮，不斷產(chǎn)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(fā)生的顆粒裂紋和降解進行過表征。然而，為了開發(fā)更大的電動汽車電池，現(xiàn)在電極變得更厚、能量密度更高。
 
       加州大學(xué)圣地亞哥分校（University of California San Diego）的項目科學(xué)家Minghao Zhang表示，厚電極的動力學(xué)與薄電極的動力學(xué)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(jié)構(gòu)。
 
結(jié)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(nèi)部發(fā)生的變化。PFIB-SEM利用聚焦的射線使離子和電子帶電，從而構(gòu)建材料三維結(jié)構(gòu)的超高分辨率圖像。
 
       研究人員利用成像方法來收集數(shù)據(jù)，包括一個全新的正極以及一個已經(jīng)充電并耗盡15次的正極的數(shù)據(jù)。利用電子顯微鏡實驗數(shù)據(jù)，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(jié)合納米級分辨率實驗數(shù)據(jù)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(fā)生了什么。”
 
       研究人員發(fā)現(xiàn)，電池各區(qū)域之間的差異，促使形成很多結(jié)構(gòu)上的變化。正極表面的薄層更容易發(fā)生電解質(zhì)腐蝕。因此，該頂層形成一個更厚的電阻層，導(dǎo)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(wǎng)絡(luò)，可以將電極中的活性物質(zhì)聚集在一起，有助于通過電池傳導(dǎo)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(dǎo)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(zhì)的破裂更加明顯。過去，許多研究人員一直關(guān)注活性物質(zhì)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(diào)電極設(shè)計來改變降解現(xiàn)象。研究人員表示，改變CBD結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，有助于防止CBD與活性物質(zhì)之間接觸狀況的惡化，從而延長電池壽命。現(xiàn)在，工程師們可以通過物理實驗來跟進這個假設(shè)。
 
       該團隊現(xiàn)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(fā)高級經(jīng)理Dr. Zhao Liu表示：“這項研究開發(fā)了一種方法，主要涉及如何設(shè)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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