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科学家从内到外研究电极颗粒的化学性质

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58京牌 构成锂离子电池电极的微粒虽小但威力巨大:它们决定了电池的电荷存储量、充放电速度,以及在某段时间内的电量变化趋势。对于或电子设备来说,这些都是决定性能的重要因素。粒子表面产生裂纹或发生化学反应后会降低性能,随着时间的推移,整个粒子吸收和释放锂离子的能力也会逐渐改变。科学家们对这二者都已进行过研究,但从未同时对单个粒子的表面和内部进行过观察,以了解粒子之间的相互影响。

美国SLAC国家加速器实验室

,在一项新研究中,美国SLAC国家加速器实验室的Yijin Liu带领研究小组做到了这一点。他们将一个电池正极粒子(约红细胞那么大)插在针尖上,用两台X射线仪器对其表面和内部进行3D探测。他们发现,在粒子表面的不同位置上,所产生的裂纹和化学变化的差异很大,并且与粒子内部深处的微观裂纹相对应,从而减弱粒子储存能量的能力。

Yijin Liu表示:“结果表明,粒子的表面和内部基本上是互通的。了解它们之间的化学对话,可以帮助我们对整个粒子进行设计,加快电池循环。”

内外皆有损伤

锂离子电池电极由很多微粒构成,而每个粒子中还含有更小的颗粒。它们的结构和化学性质是决定电池性能的关键因素。在电池充放电过程中,锂离子会从粒子的原子之间的空间出入,导致粒子膨胀和收缩。随着时间的推移,这会使粒子破裂,降低它们吸收和释放离子的能力。粒子还会与周围的电解质反应,形成表面层体,阻止离子出入。随着裂纹扩大,电解液会进一步渗透,破坏内部结构。

这项研究集中在由富镍氧化层制成的粒子上。理论上来说,与目前的电池材料相比,这种氧化物可以储存更多的电荷。此外,它的钴含量较低,因此成本更低。但是,这种材料存在一个问题:经过多次高压充电过程,这些微粒的储能能力会迅速消失。快速充电通常采用高压充电系统。

开发下一代材料

科学家们一直在研究两种基本方法,以最大限度地减少损害,提高颗粒的性能:在表面涂上一层保护涂层,或以不同的方式将颗粒包在一起,以改变内部结构。Liu说:“两种方法可能都有效,把它们结合起来会更有效,我们应着眼于更大的前景。”

研究人员Shaofeng Li负责X射线实验,用两台仪器检测充电电池的针式安装正极粒子,一台扫描表面,另一台探测内部。基于这些结果,普渡大学副教授Kejie Zhao带领理论学家开发了一个计算机模型,展示电荷如何在12分钟内破坏粒子,以及这种破坏模式如何反映粒子表面和内部的相互作用。“从得到的图像可以看出,粒子中到处都有变化。例如,表面上的某些区域比其它区域更易降解,从而影响内部的反应,反过来这又会使表面以不同的方式退化。”

研究团队计划,在他们以前研究过的其他电极材料上应用这项技术,并重点关注充电速度如何影响损伤模式。“你希望能在10分钟内给你的电动车充电,而不是几个小时。这将是后续研究的重要方向。”

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