借助X射线,研究人员发现了影响固态电池寿命的原因

时间:2021-04-07

固态电池在佐治亚理工学院设计的定制硬件中充放电

X 射线对于大家来说再熟悉不过了,它已经广泛的应用于生活中的各个方面,比如在医院做胸透检查,再比如进地铁、高铁、机场的安检等等。借助 X 射线,可以让我们在不破坏物体的前提下看到了其内部结构。

作为未来极具潜质的新型电池品类 —— 固态电池迅速进入人们的视野。固态电池是相对于目前广泛应用的液态电池而言的,比如手机使用的电池,也叫锂离子电池,它就属于液态电池。相较于液态电池,固态电池在安全性、能量密度、充放电效率等各个方面都有很大的飞跃。

液态电池的技术已经相当成熟了,其内部有液体电解质,锂离子在正极和负极之间的移动形成电流。然而固态电池使用固体材料来取代现有锂离子电池中易燃的液体电解质,那它的充放电过程是怎么样的呢?想要深度研究固态电池,借助 X 射线或许是一种可行的方法。

用X 射线断层扫描重建电池内固体电解质界面三维视图

研究小组使用特殊 X 射线探究固态电池内部

最近,来自 Argonne 国家实验室的一个研究小组便借助 X 射线让固态电池充电 / 放电过程得以展现出来。如下图所示,一块固态电池正在通过佐治亚理工学院设计的定制硬件进行充电和放电。

研究小组使用美国能源部 Argonne 国家实验室先进光子源(APS)的超亮 X 射线,使用一个大约 2 毫米宽的圆柱形电池,观察了固态电池在充放电过程中材料的内部转化,能够在电池充电和放电过程中捕捉到结构变化的三维图像。

Argonne 国家实验室 X 射线科学部门的组长 Francesco De Carlo 说:“这种 X 射线的主要特点是超高的灵敏度和非常快的速度,正是基于这些特性才使得这项研究成为可能。”“射线的灵敏性帮助研发小组区分具有相似密度的电池内部的相位,而射线的速度使他们能够在电池内部的变化过程中捕捉到变化。”他补充说。

这些清晰的图像揭示了固体电解质界面上電极材料的动态变化如何确定固态电池的性能。研究人员发现,电池工作导致界面上形成的微小空隙,大小可达 1微米~2 微米,比人类头发丝的直径还要小约 50 倍,这就造成了接触不良,而这也是导致电池失效的主要原因。

佐治亚理工学院材料科学与工程学院助理教授 Matthew McDowell 表示:“我们能够准确了解界面处空隙的形成方式和位置,然后将其与电池性能联系起来。这项工作提供了对电池内部情况的基本了解,这些信息对于指导工程工作至关重要,而这些工程工作将在未来几年里推动固态电池实现商业化。”

循环寿命是阻碍固态电池发展的一大障碍

如今,锂离子电池广泛应用于从移动电子到电动汽车等几乎各个领域。在锂电池内部,液体电解质均匀地覆盖在电极上,允许锂离子自由移动。而固态电池技术取而代之的是使用固体电解质,这将有助于提高能量密度以及提高电池的安全性。但是从电极上移除锂会在界面处产生空隙,导致可靠性问题,从而限制电池的使用寿命。

McDowell 说:“为了解决这个问题,可以想象通过不同的沉积过程来创建结构化的界面,以保障在循环过程中保持接触。这些接口的结构控制和工程设计对于将来的固态电池开发将非常重要,我们在这里学到的知识可以帮助我们设计接口。”

由 Jack Lewis 领导的佐治亚理工学院研究小组专门建造了特殊的测试单元,在 APS 的光束线上进行研究。与此同时,研究小组的四名成员在为期五天的密集实验中,利用 X 射线计算机断层扫描技术研究了固态电池结构的变化。

McDowell 说:“我们在给固态电池充电和放电的时候进行成像,以观察电池工作时电池内部的变化。仪器从不同方向拍摄图像,然后用计算机算法重建图像,以提供固态电池随时间推移的三维图像。”

由于锂非常轻,因此用 X 射线对其成像可能具有一定的挑战性,并且需要对测试电池进行特殊设计。Argonne 所使用的技术类似于医学计算机断层扫描(CT)所使用的技术。

由于测试的局限性,研究人员只能在一个循环周期内观察电池的结构。在未来的工作中,McDowell 希望了解在其他循环周期中会发生什么,以及该结构是否以某种方式适应空隙的产生和填充。研究人员认为,这一结果可能会应用于其他电解质配方,并且表征技术可用于获取有关其他电池工艺的信息。

Francesco De Carlo 则表示:“下一步可能采用纳米断层成像技术,它使用更紧密聚焦的 X 射线束,并可以提供电池中更小的空隙(如果它们在工作期间形成)的照片,而且在 APS 上也可以使用此技术。”

电动汽车电池组

电动汽车的电池组在预计 15万英里的使用寿命内必须能承受至少 1000 次充放电循环。虽然带有锂金属电极的固态电池可以为特定尺寸的电池提供更多的能量,但除非能提供足够长的使用寿命,否则这种优势将无法克服现有技术。

对此,McDowell 表示:“我们对固态电池的技术前景感到非常兴奋,在这个领域有很大的商业和科学兴趣,这项研究的信息将有助于推动这项技术走向广泛的商业应用。”

(摘自美《深科技》)(编辑/华生)

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