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納米科學:新設備在工作和充電時拍攝鋰電池的圖像

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2019年03月21日  

鋰電池廣泛應用于從電動汽車到筆記本電腦的各種電池,但在原子尺度上還不是很清楚。為了了解納米尺度上發生了什么,美國能源部能源儲存研究聯合中心(JCESR)的科學家們設計并實施了一種小型設備,稱為操作電化學階段。

在現有技術的像差校正透射電子顯微鏡內使用該階段,當電池運行時,鋰離子沉積在電極上或從電極溶解時,可以拍攝納米級分辨率的鋰離子圖像,在新階段,科學家可以直接對變化進行成像。新圖像可以精確測量和描述電池內部發生的情況。此信息對于控制性能和安全限制過程至關重要。現在,科學家們可以快速可視化并測試新的電極和電解質配對(參見電池101)。新階段將有助于快速分選更持久,更安全的電池選項。

超越目前的行業標準鋰離子電池一直很困難。在鋰-空氣和其他設計中,電極-電解質界面處的相互作用影響電池的性能和安全性。為了解這些反應,作為JCESR的一部分,太平洋西北國家實驗室的科學家創造了一個操作電化學階段。在像差校正掃描透射電子顯微鏡中使用它,科學家現在可以在電池操作期間化學成像鉑陽極和電解質之間的界面,成像方法突出了固體鋰金屬,從構成保護性固體電解質中間相層的組分中唯一地識別它。利用這些圖像和標準電化學數據,科學家們可以在納米尺度上量化每次充電/放電循環后不可逆沉積的鋰量。這意味著他們可以看到枝晶-微觀荊棘,它們會導致電池失效-形成時。

該技術還顯示了固體電解質中間相層的生長,其包裹并保護陽極。由于電解質分解而形成該層。在他們的研究中,該團隊發現延長電池循環會導致鋰層在層下生長-樹枝狀晶體的起源對電池安全性和性能有影響,這種新的成像工具為快速可視化和測試新電池系統的電極/電解質配對提供了可能性。這些系統可以讓電動汽車在兩次充電之間行駛很遠。此外,有一天,這樣的系統可以存儲來自風能和太陽能站的能量,從而在需要時提供間歇能量,目前使用的大多數可充電電池都是鋰離子電池,它有兩個電極:一個帶正電并含鋰,另一個帶負極,通常由石墨制成。當電子流過連接兩者的電線時會產生電流。為了控制電子,帶正電的鋰原子通過另一條路徑從一個電極移動到另一個電極:電極所在的電解質溶液。但是石墨具有低能量存儲容量,限制了鋰離子電池可以為智能電話和電動汽車提供的能量。

當鋰基可充電電池于20世紀70年代首次開發時,研究人員將鋰用作負極,也稱為負極。之所以選擇鋰,是因為它的儲能容量是石墨的十倍。問題是,載鋰電解質與鋰陽極反應。這導致微觀鋰枝晶生長并導致早期電池失效。

多年來,許多人已經調整了可充電電池以試圖解決樹突問題。在20世紀90年代早期,研究人員轉向其他材料,如石墨作為陽極。最近,科學家們還為陽極涂上了保護層,而其他人則制造了電解質添加劑。一些解決方案消除了枝晶,但也導致不使用的電池功率很小。其他方法只是減緩,但并未停止,纖維的增長。

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