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usdt小额交易平台(www.uotc.vip):研究职员行使高能X射线绘制性能转变图 以确定锂金属电池失效缘故原由

admin2021-07-18112

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盖世汽车讯 据外媒报道,科学家们发现领先锂金属电池失效的主要缘故原由。对于远距离电动汽车来说,这一发现具有主要意义。研究职员行使高能X射线,跟踪电池中数千个差其余点,考察由循环引起的转变,并绘制了性能转变图。在每一个点上,都使用X射线数据来盘算正极质料的数目及其局部电荷状态。通过这些研究效果,并连系互补式电化学丈量,从而确定在多次充放电循环后导致电池容量衰减的主要机制。据先容,电池失效的主要缘故原由在于液体电解质耗尽。在每个充放电周期中,电解液认真在充电电池的两个电极之间传输锂离子。

(图片泉源:布鲁克海文实验室)

由美国能源部布鲁克海文国家实验室化学部和石溪大学化学系团结任命的通讯作者Peter Khalifah示意:“这种电池使用锂金属做负极,而不是现在用的石墨质料,其最大优势在于能量密度很高。增添电池质料在一定质量下可以储存的能量,是延伸电动汽车续航里程的最好设施。”然而,要让锂金属负极在延续循环充电电池中优越事情,同时保持高能量密度,异常具有挑战性。锂金属很活跃,在电池循环历程中,越来越多的锂会发生降解,并逐渐消耗电池的其他要害部件,好比液体电解质。

2020年,Battery500同盟的研究职员将电池循环寿命提高到400次。为了知足电动汽车的需求,该机构追求实现1000次或更长的寿命。研究职员示意,为了制造出循环时间更长的高能量密度锂金属电池,需要领会真实的“袋状电芯”电池的失效机制。

袋状电芯是一种密封的矩形电池,在工业应用中获得普遍使用。比起为家用电子产物供电的圆柱形电芯,能够更有用地行使空间,因此是车辆封装的最佳选择。在这项研究中,美国能源部太平洋(601099,股吧)西北国家实验室(PNNL)的科学家,行使PNNL的先进电池设施(ABF),制造出多层袋状电芯几何结构锂金属电池原型。

接下来,美国能源部爱达荷州国家实验室(INL)的科学家对其中一个多层袋状电芯举行了电化学测试。测试效果显示,在最初的170个周期中,只有15%的电芯泛起容量消耗。然而,在接下来的25个周期中,有75%泛起容量消耗。为领会末期容量衰减的缘故原由,他们从电芯的七个正极层中提取其中一层,并将其送到布鲁克海文实验室,行使国家同步加速器光源II(NSLS-II)的X射线粉末衍射(XPD)光束线举行研究。

在XPD中,照射到样品上的X射线只以一定角度反射,从而发生特有的图案。这种衍射图可以提供样品结构的多方面信息,包罗电芯单元的体积(结构中最小的重复部门),以及原子在电芯单元内的位置。

研究团队主要想领会锂金属负极,但其X射线衍射图案很弱(由于锂的电子很少),而且在电池循环历程中转变不大(仍然是锂金属)。因此,研究职员通过研究锂镍锰钴氧化物(NMC)正极中亲热相关的转变,来间接探测负极的转变,由于NMC的衍射图案要强得多。Khalifah注释说:“若是负极最先失效,它的问题将反映在正极上,由于正极周围的区域将无法有用地吸收和释放锂离子。”

在实验历程中,XPD光束线起到了要害作用。由于能量很高,这条光束线上的X射线可以完全穿透电池电芯,纵然是几毫米厚的电芯。通过该光束的高强度和大二维面积探测器,科学家能够快速网络电池上数千个点的高品质衍射数据。

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研究职员示意:“对于每个点,我们约莫在一秒内就能获得高分辨率衍射图案,因此只需两个小时就可以绘制出电池的整个区域。比起使用传统实验室X射线源发生的X射线,要快100多倍。”

他们绘制的第一个量是单个正极层的荷电状态(SOC),即电池中的剩余能量与“充满”状态时的能量之比。100% SOC意味着电池充满了电,能量值到达最高点。随着电池的使用,该百分比会下降。

例如,一台显示80%电量的条记本电脑的SOC为80%。在化学术语中,SOC对应于正极中的锂含量,在循环历程中锂被可逆性插入和移除。当锂被移除时,正极的电芯单元数目会缩小,通过X射线衍射丈量,很容易确定这一点。因此,可以敏锐地丈量出每个点的局部SOC。任何局部区域泛起性能下降,其SOC都市与正极其余部门有所差异。

SOC绘制图显示了三个“热门”,每个热门的直径都有几毫米,其局部性能比电池其他部门的性能差得多。热门区域的NMC正极只有一部门循环有问题,其余部门可与电芯保持同步。由此可以看出,电池容量衰减是由于液体电解液被部门损坏,这会导致电池“冻结”在当前的SOC。

其他可能导致电池容量衰减的缘故原由,如随着电极外面形成降解产物,锂金属负极泛起消耗或逐渐损失锂离子或电子导电性,不会使热门区域同时存在活性和非活性NMC正极。

在由INL团队成员向导举行的后续实验中,研究职员测试较小的纽扣电芯,通过有意耗尽电解质使其失效。效果显示,这种电芯显示出与大袋状电芯相同的行为,从而证实失效机制。

“从同步加速器X射线和电化学数据来看,电解液耗尽是与这些数据最一致的失效机制。在电芯的许多区域,我们看到电解液部门耗尽,这使离子传输变得加倍难题,但也不是完全不能能。而在三个热门区域,电解液基本上用完了,基本无法举行循环。”

除了准确定位失效最快的热门位置外,该同步加速器X射线衍射研究,还通过提供正极上每个位置存在的NMC数目,展现失效缘故原由。失效最严重的区域,通常比电芯其余部门的NMC数目更少。当存在的NMC正极较少时,该部门电池会更快、更彻底地举行充放电,从而导致电解液消耗得更快,并加速这些区域最终失效。纵然正极数目稍微削减(5%或更少)也会加速失效。因此,改善制造工艺以生产更平均的正极,能够延伸电池寿命。

在未来的研究中,该团队设计绘制电池充电和放电时发生的转变。

研究职员示意:“在这项研究中,我们考察到电池寿命靠近尾声时的一张快照。主要的是,这项手艺展现出足够的迅速率,应该能够应用于运行中的电池。若是我们能够在电池循环时网络衍射数据,将获得差其余部件随时间而转变的影像。通过这些信息,可以看到更完整的故障发生图景,辅助我们设计出性能更好的电池。”

(责任编辑:季丽亚 HN003)

网友评论

3条评论
  • 2021-07-18 00:00:14

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