找到了延长锂电池使用寿命的方法

煎蛋 2022-05-15 13:09
可充电锂离子电池不会永远持续下去——经过足够多次充放电循环后,它们最终会报废,因此研究人员一直在寻找能够延长电池寿命的方法。
现在,美国能源部 SLAC 国家加速器实验室的研究人员以及普渡大学、弗吉尼亚理工大学和欧洲同步加速器辐射部门的同事发现,电池衰减背后的因素实际上会随着时间而变化。早期,衰减似乎是由单个电极粒子的特性驱动的,但经过数十次充电循环后,这些粒子组合在一起的方式变得更为重要。
“基本构建块是构成电池电极的这些粒子,但是当你充电时,这些粒子会相互作用。”SLAC 科学家、斯坦福同步加速器辐射光源研究员、该研究的资深作者Yijin Liu说。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。”
只见树木不见森林
这项新研究于 4 月 29 日发表在《科学》上,基于过去的研究,Liu 和同事使用计算机视觉技术分析构成可充电电池电极的单个粒子如何随着时间的推移而分解。这次的目标不仅是研究单个粒子,还要研究它们协同工作以延长或降低电池寿命的方式。
普渡大学机械工程教授 Keije Zhao 与 Liu 和弗吉尼亚理工大学化学教授Lin Feng是资深作者,他将这个问题比作团队工作。“电池粒子就像人一样,一开始我们都走自己的路,但最终我们会遇到其他人,最终我们会成群结队,朝着同一个方向前进。要了解峰值效率,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。”
为了探索这一想法,共同第一作者、SSRL 博士后研究员 Jizhou Li 和 Purdue 研究生 Nikhil Sharma 与 Liu、Lin 和 Zhao 以及其他同事合作,用 X 射线研究电池阴极。在经历了 10 或 50 个充电周期后,他们使用 X 射线断层扫描重建了阴极的 3D 图像。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来识别粒子。

电池的寿命
最后,他们确定了 2000 多个单个粒子,他们不仅计算了单个粒子的特征,例如大小、形状和表面粗糙度,还计算了更多的全局特征,例如粒子形状、彼此直接接触的频率以及变化程度。
接下来,他们研究了这些特性中的单个特性在粒子分解时的所施加的影响,并发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特性,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 个循环之后,配对和组属性——例如两个粒子相距多远、它们的形状有多大变化以及更细长的足球形粒子是否具有相似的取向——推动了粒子分解。
“这不再只是粒子本身。重要的是粒子-粒子相互作用。”Liu说,这很重要,因为这意味着制造商可以开发控制这些特性的技术。例如,他们可能能够使用磁场或电场将细长的粒子彼此对齐,新结果表明这将延长电池寿命。
并且,共同资深作者和弗吉尼亚理工大学化学家Feng说,这些结果可以应用于本研究之外的领域。“这项研究真正揭示了我们如何设计和制造电池电极以获得电池的长循环寿命,我们很高兴能够深化下一代低成本快速充电电池的理解。”
该研究由 SLAC 的 DOE 实验室指导研究与开发计划和国家科学基金会资助。SSRL 是美国能源部科学办公室用户部门。

推荐阅读