X射线揭示导致锂电池材料失效的隐藏特性

来源:钜大LARGE    2018-09-20    点击量:
在过去的三十年中,通过对以锂离子的往复运动而进行循环充放电的锂离子电池的升级研究,从而使得更小的设备能够更快地运行并显著的延长了使用寿命。
 
现如今,来自美国能源部SLAC国家加速器实验室和劳伦斯伯克利国家实验室的X射线实验表明,锂离子运行的理论要比想象复杂得多。通过纠正对材料的固有假设,将有助于我们改善电池设计,进而产生新一代锂离子电池。
 
由SLAC斯坦福材料与能源科学研究所的WilliamChueh教授领导的一个国际研究团队今天在NatureMaterials上发表了他们的研究结果。
 
麻省理工学院教授,该研究的另一位负责人MartinBazant说:“以前,对于他们的研究有点像盲人摸象,你可以看到材料效果很好,某些添加剂似乎也有所帮助,但你无法确切知道锂离子在这个过程的位置。你只能尝试开发一种理论并从测量中反向应用。凭借新的仪器和测量技术,我们开始对这些事物的实际运作方式进行更严格的科学理解。”
 
‘爆米花效应'
 
任何乘坐电动公交车或者使用其他电动工具的人都可以从他们的这项研究中获得好处。它可用于带内燃机的汽车的启停装置,以及电网中风能和太阳能的存储应用。更好地了解这种材料和其他类似材料可以带来更快速充电、更持久和更耐用的电池。
 
当锂离子电池进行充放电时,锂离子从液体溶液中流入固体储存器。但是一旦进入固体,锂就会重新排列,有时会使材料分裂成两个不同的阶段,就像混合在一起时油和水分离一样。这就会导致Chueh教授所说的“爆米花效应”。离子聚集成热点,最终会缩短电池寿命。
 
在这项研究中,研究人员使用两种X射线技术来探索锂离子电池的内部工作原理。在SLAC的斯坦福同步辐射光源(SSRL)上,他们从磷酸铁锂样品中反射X射线,以显示其原子和电子结构,让他们了解锂离子在材料中的移动方式。在伯克利实验室的高级光源(ALS)中,他们使用X射线显微镜来放大过程,使他们能够绘制锂离子浓度随时间变化的情况。
 
向上游进发
 
之前,研究人员认为磷酸铁锂是一维导体,这意味着锂离子只能通过大部分材料向一个方向传播,就像鲑鱼游向上游一样。
 
但是在筛选他们的数据时,研究人员注意到锂离子在材料表面上的移动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叶子,发现水流动的方向与鲑鱼游泳的方向完全不同。
 
他们与英国巴斯大学化学教授SaifulIslam合作开发计算机模型进行系统模拟。这些研究揭示了锂离子在材料表面上沿另外两个方向移动,使得磷酸铁锂成为三维导体。
 
“事实证明,这些额外的途径对材料来说是有问题的,这将会促使爆米花般的行为失败,如果锂离子可以在材料表面上移动得更慢,那么它将使电池更均匀。这是开发更高性能和更持久电池的关键。”Chueh教授说道。
 
电池工程的新领域
 
尽管过去二十年来对磷酸铁锂的研究一直存在,但直到几年前我们才能在纳米级和电池运行期间研究它。
 
“这解释了这种材料的重要特性是如何被长期忽视的,随着新技术的出现,人们总会发现一些新的有趣的材料,这些材料会让你对它们的看法有所不同。”李益阳(音)说到,他曾在斯坦福大学和SLAC做研究生和博士后实验工作。
 
李益阳(音)说到:“我们已经发现并开发了一些最好的散装材料,同时,我们也看到锂离子电池技术仍在以非常显着的速度发展:它们变得越来越好。我们正在建立一个重要的知识基础,可以把这项基础知识认知添加到电池工程师的工具包中,这样更有利于他们开发更好的材料。“
 
跨越不同的尺度
 
为了跟进这项研究,研究人员将继续将建模、模拟和实验结合起来,尝试通过SLAC的Linac相干光源或LCLS等设施,了解更多不同长度和时间尺度的电池性能的基本问题。他们使用的LCLS,能够探测在时间尺度上发生的单个离子跃变,其速度可达一万亿分之一秒。
 
Chueh教授说:“开发锂离子电池技术的障碍之一是涉及的长度和时间范围都很大。关键过程可能会在瞬间也可能在多年内发生。研究的路径是需要将这些过程映射到原子运动的长度。在SLAC,我们正在研究所有的电池材料,我们确信通过将建模和实验结合起来,最终能帮助我们理解更多的电池运行方面的基础知识。”
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