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X 射线实验揭示了保护电池性能的新线索

2021-07-19 15:37          同步加速器X射线美国加速器实验室
科学家发现氧气损失如何降低锂离子电池的电压

伯克利实验室和国家加速器实验室(SLAC) 的 X 射线实验揭示了保护电池性能的新线索


改编自Glennda Chui的SLAC 新闻稿。


先进光源的详细 X 射线测量帮助由伯克利实验室、SLAC 和斯坦福大学共同领导的研究小组揭示了氧气如何从构成锂离子电池电极的数十亿个纳米粒子中渗出。(来源:伯克利实验室)
 

锂离子电池就像一把摇椅,在两个临时储存电荷的电极之间来回移动锂离子。理想情况下,这些离子是构成每个电极的数十亿个纳米粒子中唯一进出的物质。

但研究人员早就知道,随着锂的来回移动,氧原子会从粒子中泄漏出来。细节很难确定,因为这些泄漏的信号太小而无法直接测量。

现在,在Nature Energy 发表的一项研究中,由 SLAC 国家加速器实验室、斯坦福大学和伯克利实验室共同领导的研究小组以前所未有的细节测量了这一过程,展示了逃逸氧原子留下的孔洞或空位如何变化电极的结构和化学性质,并逐渐减少它可以存储的能量。


 
伯克利实验室的新储能中心旨在促进与国家实验室、大学和行业的有影响力的合作,以加速多个领域的创新研究,包括材料合成、高级表征以及电池测试和故障分析。如果您对伯克利实验室能源存储中心有任何疑问,请发送电子邮件至 EnergyStorage@lbl.gov。使用COSMIC,伯克利实验室的一个多用途的X射线仪器先进光源(ALS),该研究团队跨越电极的纳米颗粒样品进行扫描,使高清晰度图像和探测每个小点的化学组成。该信息与称为 ptychography 的计算技术相结合,以揭示纳米级细节,以十亿分之一米为单位。

在 SLAC 的斯坦福同步加速器光源,该团队通过整个电极发射 X 射线,以确认他们在纳米级看到的在更大的尺度上也是真实的。

将实验结果与氧气损失可能如何发生的计算机模型进行比较,该团队得出结论,最初的氧气爆发从粒子表面逸出,然后从内部非常缓慢地滴流。在纳米粒子聚集在一起形成更大的团块时,靠近团块中心的那些比靠近表面的那些失去的氧气少。

结果与科学家对这一过程所做的一些假设相矛盾,并可能提出设计电极以防止它发生的新方法。

“以前,研究人员无法获得研究电池中从初级粒子到电极水平的氧释放所需的长度尺度。COSMIC 在大范围内实现具有化学特异性的几纳米空间分辨率的能力使我们第一次能够研究微观结构对这种现象的影响,”共同资深作者大卫夏皮罗说,他是 COSMIC 的首席科学家。显微实验。Shapiro 还领导 ALS 显微镜计划。

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