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美國利用X射線斷層攝影術(shù)觀察固態(tài)鋰電池內(nèi)部

時間:2021-02-01 09:14來源:蓋世汽車作者:Fairy

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固態(tài)電池在佐治亞理工學院設(shè)計的定制硬件中充放電（圖片來源：佐治亞理工學院）

據(jù)外媒報道，美國佐治亞理工學院（Georgia Institute of Technology）的一個研究小組利用X射線斷層攝影術(shù)觀察到固態(tài)鋰電池在充放電過程中，其材料的內(nèi)部演變過程。該項研究獲得的詳細三維信息可幫助改進固態(tài)電池的可靠性和性能，此種電池采用了固態(tài)材料取代了現(xiàn)有鋰離子電池中的易燃液體電解質(zhì)。

該種現(xiàn)場原位同步X射線計算微斷層攝影術(shù)成像揭示了鋰/固體電解質(zhì)界面上電極材料的動態(tài)變化如何決定固態(tài)電池的行為。研究人員發(fā)現(xiàn)，電池運行會導致該界面上形成空洞，從而無法制造接觸，這也是電池電芯失效的主要原因。

現(xiàn)在，移動電子設(shè)備、電動汽車等都在廣泛采用鋰離子電池，此種電池依賴液體電解質(zhì)，在電池的充放電循環(huán)過程中，在電極之間來回運輸離子。此種液體均勻地覆蓋在電極上，可以讓離子自由移動。

快速發(fā)展的固態(tài)電池技術(shù)則采用了固態(tài)電解質(zhì)，此種電解質(zhì)能夠提升未來電池的能量密度和安全性。但是，從電極上去除鋰會在界面上造成空洞，從而影響電池的可靠性，限制了電池的使用壽命。

研究人員表示：“為了解決這個問題，可以想象成通過不同的沉積工藝打造結(jié)構(gòu)化界面，以在電池充放電過程中保持接觸。仔細控制和打造此類界面結(jié)構(gòu)對于研發(fā)未來固態(tài)電池非常重要，我們的研究成果也有助于設(shè)計此種界面。”

用x射線斷層掃描重建的電池內(nèi)鋰/固體電解質(zhì)界面的3D視圖（圖片來源：佐治亞理工學院）

佐治亞理工學院研究小組在論文第一作者兼研究生Jack Lewis的帶領(lǐng)下，打造了寬約為兩厘米的特制測試電芯，然后在芝加哥附近美國能源部辦公室阿貢國家實驗室（Argonne National Laboratory）的同步設(shè)施——先進光子源（Advanced Photon Source）進行研究。該小組的四名成員在為期5天的密集實驗中研究了電池結(jié)構(gòu)的變化。

研究人員表示：“該儀器會從不同方向拍攝照片，然后可以利用計算機算法重建，提供電池隨著時間推移所呈現(xiàn)的3D圖片。我們在電池充放電過程中，對電池變化進行成像，以將電池運行時其內(nèi)部的變化實現(xiàn)可視化。”

由于鋰很輕，用X射線將其成像非常具有挑戰(zhàn)性，而且需要特殊設(shè)計的測試電芯。阿貢國家實驗室采用的技術(shù)與醫(yī)學計算機斷層攝像（CT）掃描非常相似，只是不是對人成像，而是對電池成像。

不過，由于測試具有局限性，研究人員只能觀察到電池單次充放電循環(huán)中的結(jié)構(gòu)變化。在未來的研究中，研究人員希望能夠在多次循環(huán)中觀察到變化，以及觀察到該結(jié)構(gòu)是否適應了空洞的形成以及填充了空洞。研究人員認為，該研究成果可能適用于其他電解質(zhì)設(shè)計配方，而此種表征技術(shù)能夠用于獲取其他電池工藝的信息。

電動汽車的電池必須在預計15萬英里的壽命內(nèi)承受至少1000次充放電循環(huán)，而由鋰金屬電極制成的固態(tài)電池在特定尺寸下能夠提供更多的能量。但是，除非固態(tài)電池的使用壽命與現(xiàn)有電池相當，否則其優(yōu)勢仍然無法超越現(xiàn)有的電池技術(shù)。

研究人員表示：“我們對固態(tài)電池的技術(shù)發(fā)展前景感到非常興奮，在該領(lǐng)域可以實現(xiàn)巨大的商業(yè)和科學利益，而且該項研究獲取的信息可以推動該技術(shù)實現(xiàn)更廣泛的商業(yè)應用。”

(責任編輯：子蕊)

文章標簽：電池固態(tài)鋰電池 X射線

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