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科學家利用“分子眼”觀測電池 提高電池性能

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2020年04月17日  

(圖源:美國陸軍研究實驗室官網)


通過分子眼技術,科學家們可以更確切地了解電池內部的運行原理,找出它們容易著火的原因。據外媒報道,美國陸軍特種能力發展指揮部陸軍研究實驗室(U.S.ArmyCombatCapabilitiesDevelopmentCommand#39sArmyResearchLaboratory)與美國能源部太平洋西北國家實驗室(theU.S.DepartmentofEnergy#39sPacificNorthwestNationalLaboratory)的研究人員,探討電池兩個關鍵部分接觸時如何發生化學反應,并形成電池中的關鍵部分,俗稱固體電解質界面膜(SEI)。


研究人員表示,了解電池SEI的化學性質和形成機制,對以后更好地開發優質電池起到關鍵作用。新研究利用分子眼技術,繪制出SEI化學和結構動態圖。陸軍科學家OlegBorodin博士表示,這些屬性會影響電池的充放電速率,尤其是在低溫、安全和循環壽命方面。


該研究項目的首席研究員Dr.KangXu說:SEI對電池性能至關重要,但很難對其進行具體表征。它們決定電池的充電速度,以提高運行性能,并防止電池運行時,突然速度放緩或產生故障。然而,如同暗物質一樣,每個人都知道它們的存在,卻不清楚它們的工作原理。


環境分子科學實驗室(theEnvironmentalMolecularSciencesLaboratory)和太平洋西北國家實驗室的科學家,開發了原位液體二次離子質譜分析技術。他們與陸軍科學家合作,利用這一技術,在電池首小時充電時,從分子水平上研究電極-電解質界面化學工作原理。通過監測SEI的形成及其化學變化,繪制所發生的化學反應圖,并結合分子動力學模擬方法,他們的工作揭示了一些以前只能推測的東西。


在電池充電初期,電極/電解質界面會形成電雙層。這種雙層結構導致SEI的微結構和化學差異,并最終決定電池性能。從分子水平上了解這種界面,可以為更好地設計電池提供有力指導。研究人員發現,初始充電期間,在任何相間化學反應發生之前,由于溶劑分子自組合,電極/電解質界面上會形成雙電層。這是受鋰離子和電極表面電位的影響。這一雙層結構預測最終的相間化學,特別是帶負電荷的電極表面,排斥來自內層的鹽陰離子,從而在內部產生薄且致密的無機SEI。正是這一致密層負責傳導Li+和絕緣電子,這是SEI的主要功能。內層形成后,出現電解質可滲透且富含有機物的外層。在高濃度富氟電解質存在的情況下,由于雙層中存在陰離子,SEI內層的LiF濃度較高。此類實時納米級觀測,將有助于為未來的電池設計更好的界面。


2017年,陸軍研究人員與馬里蘭大學(UniversityofMaryland)合作,首次研發出一種鋰離子電池,該電池以水鹽溶液為電解質,達到了家用電子產品所需的4.0V電壓,如筆記本電腦等,而且不會像某些商用非水鋰離子電池一樣,存在火災和爆炸風險。該團隊發明的水性電池與大多數商用電池都不同。了解SEI可以逐步改進當前技術,作為許多陸軍應用的直接解決方案。(作者:Elisha)


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