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研究人員實時觀察鋰離子的運動狀況以提高電動汽車電池材料的性能

時間:2022-10-19 09:04來源:蓋世汽車作者:Elisha

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研究人員發(fā)現(xiàn)，在下一代電池材料中，鋰離子的不規(guī)則運動可能降低電池容量，并影響性能。據(jù)外媒報道，在劍橋大學（University of Cambridge）研究人員的領導下，該團隊在富有前景的新型電池材料中實時跟蹤了鋰離子的運動狀況。

以往有觀點認為，在電池材料中，單個活性粒子中的鋰離子存儲機制是均勻的。然而，在此項研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)，在充放電循環(huán)中鋰的存儲并不均勻。當電池的放電循環(huán)快要結束時，活性粒子的表面達到鋰飽和，其核心則缺乏鋰。這會導致可重復使用的鋰減少，以及電池容量下降。

鋰離子電池具有高能量密度，廣泛應用于電動汽車。然而，出于對更長續(xù)航里程和更快充電時間的需求，需要改進目前的電池材料，以及找到新的材料。這項研究將有助于改善現(xiàn)有電池材料，并加速開發(fā)下一代電池。

目前，作為領先的正極材料，層狀富鎳鋰氧化物廣泛應用于高端電動汽車。然而，其運行機制，尤其是在實際操作環(huán)境中的鋰離子傳輸，以及這與其電化學性能之間的聯(lián)系，尚未完全明了。因此，這些材料還無法充分發(fā)揮其性能潛力。

在電池運行過程中，通過顯微鏡跟蹤光與活性粒子的相互作用。研究人員發(fā)現(xiàn)，在充放電循環(huán)過程中，富鎳錳鈷氧化物（NMC）中的鋰存儲存在明顯差異。劍橋大學化學系的研究人員Alice Merryweather表示：“這是首次在單個粒子直接觀察到不均勻的鋰存儲。這類實時技術發(fā)揮了重要作用，因此可以在電池循環(huán)期間獲得新發(fā)現(xiàn)。”

研究人員結合實驗觀察與計算機建模發(fā)現(xiàn)，這種不均勻性來源于充放電循環(huán)期間NMC中的鋰擴散速度發(fā)生了巨大變化。具體地說，鋰離子在完全鋰化的NMC顆粒中擴散緩慢。然而，一旦從這些顆粒中提取一些鋰離子，擴散速度就會明顯加快。劍橋大學工程學系的Shrinidhi Pandurangi博士表示：“通過這種模型，可以了解在充電早期階段鋰離子在NMC中的擴散變化范圍。該模型可準確地預測鋰分布，并獲得在實驗中觀察到的非均勻性的程度。這些預測結果非常關鍵，有助于了解其他電池的退化機制，比如粒子斷裂。”

在第一次充放電循環(huán)后，富鎳正極材料通常會損失約10%的容量。在放電結束時觀測到的非均勻性鋰，提供了其中的原因之一。該研究的第一作者之一、上海科技大學（ShanghaiTech University）的徐超博士在劍橋大學期間完成了這項研究。他表示：“這一發(fā)現(xiàn)具有重要意義。因為判斷電池是否應該退役的一個行業(yè)標準是，電池容量下降20%。”

(責任編輯：子蕊)

文章標簽：電動汽車電池材料鋰離子

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