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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: 2021-02-23
浏览量: 12

 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。

  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。

借助X射线,研究人员发现了影响固态电池寿命的原因

  图|固态电池在佐治亚理工学院设计的定制硬件中充放电(来源:佐治亚理工学院)

  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。

借助X射线,研究人员发现了影响固态电池寿命的原因

  图|用 X 射线断层扫描重建电池内固体电解质界面三维视图(来源:佐治亚理工学院)

  这些清晰的图像揭示了固体电解质界面上电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 1-2 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。”


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