研究人員開發了一種簡單的實驗室技術,可以讓他們觀察鋰離子電池內部,并實時跟蹤鋰離子在電池充放電過程中的移動,這在目前還不可能實現。


利用這項低成本技術,研究人員確定了限速過程,如果解決了這一問題,大多數智能手機和筆記本電腦的電池只需5分鐘即可充電。

研究人員開發低成本地成像技術 可以觀察和跟蹤鋰電池充放電過程

在脫鋰和鋰化的雙相轉變過程中,相界通過活性粒子的過程。色標表示每個像素經歷相位邊界的時間,作為雙相轉變總持續時間的一部分。實心黑線闡明了觀察到的粒子輪廓。黑色虛線和圓是眼睛的向導,可以直觀地看到相位邊界的進展。比例尺為2μm。


劍橋大學的研究人員表示,他們的技術不僅有助于改善現有的電池材料,而且可以加速下一代電池的發展,這是過渡到沒有化石燃料的世界需要克服的最大技術障礙之一。研究結果發表在《自然》雜志上。


雖然鋰離子電池具有不可否認的優勢,如與其他電池和儲能手段相比,能量密度相對較高、壽命較長,但也可能過熱甚至爆 炸,生產成本相對較高。此外,它們的能量密度遠不及汽油。到目前為止,這使得它們不適合廣泛應用于兩大清潔技術:電動汽車和太陽能電網規模的存儲。


劍橋卡文迪什實驗室的克里斯托夫·施奈德曼博士說:“更好的電池是能儲存更多的能量,或者充電速度更快,理想情況下兩者兼而有之,但要用新材料制造出更好的電池,并改進我們已經在使用的電池,我們需要了解電池內部的情況?!?

研究人員開發低成本地成像技術 可以觀察和跟蹤鋰電池充放電過程

為了改進鋰離子電池并幫助它們更快地充電,研究人員需要實時跟蹤和了解功能材料在實際條件下發生的過程。目前,這需要復雜的同步輻射X射線或電子顯微鏡技術,這既費時又昂貴。


“要真正研究電池內部發生的事情,你必須讓顯微鏡同時做兩件事:它需要觀察電池在幾個小時內的充電和放電,但同時它需要捕捉電池內部發生的非??焖俚倪^程?!钡谝蛔髡?、博士艾麗斯·梅里韋瑟(Alice Merryweather)說。他劍橋卡文迪什實驗室的學生。


劍橋團隊開發了一種稱為干涉散射顯微鏡的光學顯微鏡技術來觀察這些過程。利用這項技術,他們能夠通過測量散射光的數量來觀察鋰鈷氧化物(通常稱為LCO)的單個粒子的充放電情況。


他們能夠看到LCO在充放電循環中經歷了一系列的相變。當鋰離子進出時,LCO顆粒內的相界會移動和改變。研究人員發現,根據電池是充電還是放電,移動邊界的機制是不同的。


領導這項研究的卡文迪什實驗室的Akshay Rao博士說:“我們發現鋰離子電池有不同的速度限制,這取決于它是充電還是放電。充電時,速度取決于鋰離子通過活性物質粒子的速度。放電時,速度取決于離子插入邊緣的速度。如果我們能控制這兩種機制,就能讓鋰離子電池充電更快?!?


考慮到鋰離子電池已經使用了幾十年,你可能會認為我們知道關于它們的一切,但事實并非如此,施內德曼說這項技術讓我們看到它能以多快的速度通過充放電循環。我們真正期待的是利用這項技術來研究下一代電池材料,我們可以利用我們對LCO的了解來開發新材料。

研究人員開發低成本地成像技術 可以觀察和跟蹤鋰電池充放電過程

劍橋大學優素福哈米德化學系的克萊爾·格雷教授是這項研究的共同負責人,他說,這項技術是研究固態材料中離子動力學的一種相當普遍的方法,因此你幾乎可以在任何類型的電池材料上使用它。


該方法的高通量特性允許在整個電極上對許多顆粒進行取樣,并且,向前推進,將使人們能夠進一步探索電池發生故障時會發生什么以及如何防止它。


施內德曼說:“我們開發的這項基于實驗室的技術在技術速度上帶來了巨大的變化,因此我們可以跟上電池快速移動的內部工作方式。事實上,我們可以實時看到這些相界的變化,這真是令人驚訝。這項技術可能是下一代電池開發中的一個重要難題?!?



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