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美国利用X射线断层摄影术观察固态锂电池内部

X射线断层摄影技术
发布:2021-02-01 10:32:24     来源:腾讯网

据外媒报道,美国佐治亚理工学院(Georgia Institute of Technology)的一个研究小组利用X射线断层摄影术观察到固态锂电池在充放电过程中,其材料的内部演变过程。该项研究获得的详细三维信息可帮助改进固态电池的可靠性和性能,此种电池采用了固态材料取代了现有锂离子电池中的易燃液体电解质。

 

固态电池在佐治亚理工学院设计的定制硬件中充放电(图片来源:佐治亚理工学院)

该种现场原位同步X射线计算微断层摄影术成像揭示了锂/固体电解质界面上电极材料的动态变化如何决定固态电池的行为。研究人员发现,电池运行会导致该界面上形成空洞,从而无法制造接触,这也是电池电芯失效的主要原因。

现在,移动电子设备、电动汽车等都在广泛采用锂离子电池,此种电池依赖液体电解质,在电池的充放电循环过程中,在电极之间来回运输离子。此种液体均匀地覆盖在电极上,可以让离子自由移动。

快速发展的固态电池技术则采用了固态电解质,此种电解质能够提升未来电池的能量密度和安全性。但是,从电极上去除锂会在界面上造成空洞,从而影响电池的可靠性,限制了电池的使用寿命。

研究人员表示:“为了解决这个问题,可以想象成通过不同的沉积工艺打造结构化界面,以在电池充放电过程中保持接触。仔细控制和打造此类界面结构对于研发未来固态电池非常重要,我们的研究成果也有助于设计此种界面。”

用x射线断层扫描重建的电池内锂/固体电解质界面的3D视图(图片来源:佐治亚理工学院)

佐治亚理工学院研究小组在论文第一作者兼研究生Jack Lewis的带领下,打造了宽约为两厘米的特制测试电芯,然后在芝加哥附近美国能源部办公室阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory)的同步设施——先进光子源(Advanced Photon Source)进行研究。该小组的四名成员在为期5天的密集实验中研究了电池结构的变化。

研究人员表示:“该仪器会从不同方向拍摄照片,然后可以利用计算机算法重建,提供电池随着时间推移所呈现的3D图片。我们在电池充放电过程中,对电池变化进行成像,以将电池运行时其内部的变化实现可视化。”

由于锂很轻,用X射线将其成像非常具有挑战性,而且需要特殊设计的测试电芯。阿贡国家实验室采用的技术与医学计算机断层摄像(CT)扫描非常相似,只是不是对人成像,而是对电池成像。

不过,由于测试具有局限性,研究人员只能观察到电池单次充放电循环中的结构变化。在未来的研究中,研究人员希望能够在多次循环中观察到变化,以及观察到该结构是否适应了空洞的形成以及填充了空洞。研究人员认为,该研究成果可能适用于其他电解质设计配方,而此种表征技术能够用于获取其他电池工艺的信息。

电动汽车的电池必须在预计15万英里的寿命内承受至少1000次充放电循环,而由锂金属电极制成的固态电池在特定尺寸下能够提供更多的能量。但是,除非固态电池的使用寿命与现有电池相当,否则其优势仍然无法超越现有的电池技术。

研究人员表示:“我们对固态电池的技术发展前景感到非常兴奋,在该领域可以实现巨大的商业和科学利益,而且该项研究获取的信息可以推动该技术实现更广泛的商业应用。”

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