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        17年專注鋰電池定制

        研究發現電池磨損的主要原因在于反復充電

        來源:鉅大LARGE    2019-10-18    點擊量:123

        電動汽車所采用的鋰離子電池技術,和智能手機、筆記本電腦以及幾乎所有電子產品都一樣,但這項技術的改進極其緩慢。雖然電動汽車可以滿足大部分美國人日常出行的需要,而普通燃油車的行駛里程更遠。除了充電站少這一問題,比起加油的時間,電池充電的時間也要長得多。為了提高鋰離子電池的充電能力,增加電動汽車使用率,汽車行業不得不重新審視關于電池磨損的基礎科學。


        據外媒報道,來自多個研究所的人員組成研究小組,對鋰離子電池的電極進行迄今為止最全面的研究。他們發現,電池磨損的大部分原因在于反復充電。研究人員稱,制造商可以利用他們得出的信息,為智能手機或汽車設計更可靠、更耐用的電池。珀杜大學(PurdueUniversity)機械工程助理教授KejieZhao說:“有時候,創造知識比解決電池電極損傷更有價值。以前,人們沒有相關的技術或理論,來解釋電池電極損傷這一問題。”


        研究人員提出的新技術本質上是用人工智能驅動的X射線工具,通過機器學習算法,一次性可自動掃描鋰離子電池電極上的數千個粒子,一直到組成粒子的原子。一個電池電極中存在數百萬個粒子。現在,研究人員可以更徹底地對它們進行分析,包括各種仿真運行分析,比如不同的電壓窗口和充電速度。


        Zhao的實驗室研究電池在機械和電化學方面如何相互影響的基礎科學。他說:“此前的大部分研究都集中在單個粒子水平上,并通過相關分析,來了解整個電池。但是,這兒顯然存在缺口,那就是微米尺度上的單個微粒,與整體的大電池比起來,有很多不同之處。”


        每當電池充電時,鋰離子就會在正負極之間來回移動。這些離子與電極中的粒子相互作用,導致它們隨著時間的推移而破裂和降解。電極損壞會降低電池的充電能力。Zhao說,電池很難同時兼具高容量和可靠性。增加電池容量通常意味著犧牲可靠性。研究人員發現電池顆粒的降解不會同時同地發生,有些粒子比其他粒子失效更快,由此繪制出鋰離子電池的損傷圖。但是,現有方法無法完全捕捉到電池電極的損傷過程。為了進行詳細研究,團隊需要創造一種全新的技術。


        研究人員求助于歐洲同步輻射裝置(ESRF)和斯坦福同步輻射光源(SSRL)的同步加速器。這些大型同步加速器設施長達數英里,承載著幾乎以光速運動的粒子,釋放出輻射,產生同步X射線圖像。弗吉尼亞理工大學的研究人員制造了用于測試的材料和電池,包括智能手機的口袋電池和手表的硬幣電池等。ESRF和SSRL的研究人員,設法使這些機器可以一次掃描電池中盡可能多的電極粒子,然后生成X射線圖像進行分析。顆粒表面的顆粒破裂和降解圖,稱為“界面脫粘”,現在可以作為了解電池電極損傷程度的參考工具。


        為了了解這些裂紋如何影響電池性能,Zhao在珀杜大學的團隊開發了理論和計算工具。例如,他們發現,在鋰離子來回穿梭的地方,附近的粒子(稱為“分離器”)比電極材料底部的粒子使用率更高,所以,它們失效的速度更快。在較厚的電極和快速充電條件下,電極顆粒損傷或“非均質退化”的變異性更為嚴重。Zhao說:“電池容量并不取決于電池中的顆粒多少,重要的是如何使用鋰離子。”


        考慮到美國只有幾個同步加速器,所以該項目并不能讓每個研究人員和行業參與者都采用這種技術,但他們可以利用這一技術所產生的信息。研究人員計劃繼續使用該技術來記錄損壞是如何發生的,以及如何影響商用電池的性能。


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