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研究人员开发新型拉伸电极 提高电池的存储容量和寿命

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58京牌  ,目前在、电子设备等领域,电池已得到广泛应用,并有望成为可持续能源存储选项。众所周知,每天为电池充电,会使其功能逐渐衰退。最终更换这些电池,不仅要付出大量成本,而且会消耗稀土资源。

(图片来源:viterbischool)

,导致电池寿命缩短的关键因素在于电池的结构完整性出现退化。为了阻止结构退化,美国南加州大学维特比工程学院(USC Viterbi School of Engineering)的研究团队希望,通过“拉伸”电池材料,使其可以反复循环,不致出现结构疲劳。这项研究由该校航空航天与机械工程学WiSE Gabilan助理教授Ananya Renuka-Balakrishna、该校博士生Delin Zhang及布朗大学Brian Sheldon教授的团队人员领导进行。

通常情况下,在电池充放电过程中,离子在电极中反复嵌入和脱嵌,从而扩张和压缩电极晶格。随着时间的推移,在电极材料中,这些体积变化会逐渐导致产生微裂纹、裂缝和缺陷,最终引起结构退化,电池容量下降,而不得不更换新电池。

为了阻止这种情况,研究人员提前拉伸这些插层电极。通过初始应力状态变化来调节相变电压,从而使电极更具弹性,改善断裂或非晶化(失去其结晶特性)现象。

电压范围更广容量更大

当电池材料的物理形式发生变化时,会发生相变,这是由日常充电和使用时的膨胀和压缩循环造成的。这些相变使电极更易发生结构退化,尤其是在这一过程反复发生时。要使电池在较长时间内保持有效功能,关键在于相位可逆性。Renuka-Balakrishna表示:“确保材料保持其结晶形式,可以充分增强可逆性。在一定电压下,当从一个相转变为另一相时,材料会变成粉状,这不利于电池高效运行。”

为了让电池材料在能量景观之间循环往复时保持结晶状态,研究人员通过引入初始应力状态来改变材料的结构。Zhang表示:“通过在充电和放电之前拉伸电极,我们正在改变电极从充电状态到放电状态的能量景观。通过初始应变,能够降低这些转变的能量屏障,从而防止产生有害的晶格变形,避免材料失效。这种能量景观变化有助于防止产生微裂纹和裂缝,保护电池的可持续性和储能能力。”

另外,通过拉伸电极,电池可以在更宽的电压窗口工作,从而提高其储能能力。

现代储能面临的挑战

研究人员表示,储能领域的主要关注点之一是,摆脱电池中常用的易燃液体电解质,并将其置入固体材料中。众所周知,随着时间的推移,固体物体会因反复受压而受损。一旦出现裂纹,表面两侧将失去接触。就电池而言,这会引起简单的机械问题,因为没有连接,很难在材料中传输离子。

Zhang指出的方法,尝试解决这一机械挑战,以开发更安全、更可持续的电池。研究人员表示,其新颖之处在于,通过引入基本力学概念延长现有材料寿命,而不是寻找新材料来延长电池的寿命。Renuka-Balakrishna表示:“在开发电池的过程中,并不总是纳入力学概念。现在工程师们可以利用 Zhang开发和研究的这项理论和工具,设计并改变电池材料的有效期。”

研究人员表示,延长电池的使用寿命,有助于延长设备使用时间,充分减少电池更换频率,使电子设备和电动汽车用户受益。考虑到锂离子电池的成本,随着时间的推移,还将为用户节省大量资金。此外,对于减排和减少废旧电池而言,可持续能源存储是重要组成部分。研究人员希望,通过这项工作,开辟一条新的研究路线,提高材料的可逆性。

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