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導(dǎo)致鋰電池材料失效的隱藏特性是什么

鉅大LARGE  |  點(diǎn)擊量:939次  |  2018年10月05日  

在過去的三十年中,通過對(duì)以鋰離子的往復(fù)運(yùn)動(dòng)而進(jìn)行循環(huán)充放電的鋰離子電池的升級(jí)研究,從而使得更小的設(shè)備能夠更快地運(yùn)行并顯著的延長(zhǎng)了使用壽命。


現(xiàn)如今,來自美國能源部SLAC國家加速器實(shí)驗(yàn)室和勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室的X射線實(shí)驗(yàn)表明,鋰離子運(yùn)行的理論要比想象復(fù)雜得多。通過糾正對(duì)材料的固有假設(shè),將有助于我們改善電池設(shè)計(jì),進(jìn)而產(chǎn)生新一代鋰離子電池。


由SLAC斯坦福材料與能源科學(xué)研究所的WilliamChueh教授領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)國際研究團(tuán)隊(duì)今天在NatureMaterials上發(fā)表了他們的研究結(jié)果。


麻省理工學(xué)院教授,該研究的另一位負(fù)責(zé)人MartinBazant說:“以前,對(duì)于他們的研究有點(diǎn)像盲人摸象,你可以看到材料效果很好,某些添加劑似乎也有所幫助,但你無法確切知道鋰離子在這個(gè)過程的位置。你只能嘗試開發(fā)一種理論并從測(cè)量中反向應(yīng)用。憑借新的儀器和測(cè)量技術(shù),我們開始對(duì)這些事物的實(shí)際運(yùn)作方式進(jìn)行更嚴(yán)格的科學(xué)理解?!?/p>


‘爆米花效應(yīng)'

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符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)

充電溫度:0~45℃
-放電溫度:-40~+55℃
-40℃最大放電倍率:1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%

任何乘坐電動(dòng)公交車或者使用其他電動(dòng)工具的人都可以從他們的這項(xiàng)研究中獲得好處。它可用于帶內(nèi)燃機(jī)的汽車的啟停裝置,以及電網(wǎng)中風(fēng)能和太陽能的存儲(chǔ)應(yīng)用。更好地了解這種材料和其他類似材料可以帶來更快速充電、更持久和更耐用的電池。


當(dāng)鋰離子電池進(jìn)行充放電時(shí),鋰離子從液體溶液中流入固體儲(chǔ)存器。但是一旦進(jìn)入固體,鋰就會(huì)重新排列,有時(shí)會(huì)使材料分裂成兩個(gè)不同的階段,就像混合在一起時(shí)油和水分離一樣。這就會(huì)導(dǎo)致Chueh教授所說的“爆米花效應(yīng)”。離子聚集成熱點(diǎn),最終會(huì)縮短電池壽命。


在這項(xiàng)研究中,研究人員使用兩種X射線技術(shù)來探索鋰離子電池的內(nèi)部工作原理。在SLAC的斯坦福同步輻射光源(SSRL)上,他們從磷酸鐵鋰樣品中反射X射線,以顯示其原子和電子結(jié)構(gòu),讓他們了解鋰離子在材料中的移動(dòng)方式。在伯克利實(shí)驗(yàn)室的高級(jí)光源(ALS)中,他們使用X射線顯微鏡來放大過程,使他們能夠繪制鋰離子濃度隨時(shí)間變化的情況。


向上游進(jìn)發(fā)


之前,研究人員認(rèn)為磷酸鐵鋰是一維導(dǎo)體,這意味著鋰離子只能通過大部分材料向一個(gè)方向傳播,就像鮭魚游向上游一樣。

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標(biāo)稱電壓:28.8V
標(biāo)稱容量:34.3Ah
電池尺寸:(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域:勘探測(cè)繪、無人設(shè)備

但是在篩選他們的數(shù)據(jù)時(shí),研究人員注意到鋰離子在材料表面上的移動(dòng)方向完全不同于以前的模型。就好像有人向溪流表面上扔了一片葉子,發(fā)現(xiàn)水流動(dòng)的方向與鮭魚游泳的方向完全不同。


他們與英國巴斯大學(xué)化學(xué)教授SaifulIslam合作開發(fā)計(jì)算機(jī)模型進(jìn)行系統(tǒng)模擬。這些研究揭示了鋰離子在材料表面上沿另外兩個(gè)方向移動(dòng),使得磷酸鐵鋰成為三維導(dǎo)體。


“事實(shí)證明,這些額外的途徑對(duì)材料來說是有問題的,這將會(huì)促使爆米花般的行為失敗,如果鋰離子可以在材料表面上移動(dòng)得更慢,那么它將使電池更均勻。這是開發(fā)更高性能和更持久電池的關(guān)鍵?!盋hueh教授說道。


電池工程的新領(lǐng)域


盡管過去二十年來對(duì)磷酸鐵鋰的研究一直存在,但直到幾年前我們才能在納米級(jí)和電池運(yùn)行期間研究它。


“這解釋了這種材料的重要特性是如何被長(zhǎng)期忽視的,隨著新技術(shù)的出現(xiàn),人們總會(huì)發(fā)現(xiàn)一些新的有趣的材料,這些材料會(huì)讓你對(duì)它們的看法有所不同?!崩钜骊?音)說到,他曾在斯坦福大學(xué)和SLAC做研究生和博士后實(shí)驗(yàn)工作。


李益陽(音)說到:“我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)并開發(fā)了一些最好的散裝材料,同時(shí),我們也看到鋰離子電池技術(shù)仍在以非常顯著的速度發(fā)展:它們變得越來越好。我們正在建立一個(gè)重要的知識(shí)基礎(chǔ),可以把這項(xiàng)基礎(chǔ)知識(shí)認(rèn)知添加到電池工程師的工具包中,這樣更有利于他們開發(fā)更好的材料?!?/p>


跨越不同的尺度


為了跟進(jìn)這項(xiàng)研究,研究人員將繼續(xù)將建模、模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)合起來,嘗試通過SLAC的Linac相干光源或LCLS等設(shè)施,了解更多不同長(zhǎng)度和時(shí)間尺度的電池性能的基本問題。他們使用的LCLS,能夠探測(cè)在時(shí)間尺度上發(fā)生的單個(gè)離子躍變,其速度可達(dá)一萬億分之一秒。


Chueh教授說:“開發(fā)鋰離子電池技術(shù)的障礙之一是涉及的長(zhǎng)度和時(shí)間范圍都很大。關(guān)鍵過程可能會(huì)在瞬間也可能在多年內(nèi)發(fā)生。研究的路徑是需要將這些過程映射到原子運(yùn)動(dòng)的長(zhǎng)度。在SLAC,我們正在研究所有的電池材料,我們確信通過將建模和實(shí)驗(yàn)結(jié)合起來,最終能幫助我們理解更多的電池運(yùn)行方面的基礎(chǔ)知識(shí)?!?/p>

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