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電池的最詳細(xì)的X射線(xiàn)圖像尚未揭示為什么它們?nèi)匀徊粔蚝?/h1>
2019-06-05 11:07:02 編輯： 來(lái)源：
導(dǎo)讀 電動(dòng)汽車(chē)依賴(lài)于智能手機(jī)，筆記本電腦和幾乎所有電子產(chǎn)品中的鋰離子電池技術(shù)。但該技術(shù)的改進(jìn)速度極慢。雖然電動(dòng)汽車(chē)不僅可以處理美國(guó)人平均

電動(dòng)汽車(chē)依賴(lài)于智能手機(jī)，筆記本電腦和幾乎所有電子產(chǎn)品中的鋰離子電池技術(shù)。

但該技術(shù)的改進(jìn)速度極慢。雖然電動(dòng)汽車(chē)不僅可以處理美國(guó)人平均每天的通勤時(shí)間，但是平均燃?xì)鈩?dòng)力汽車(chē)仍然可以在滿(mǎn)罐油箱上走得更遠(yuǎn)，充電站很少，充電電池所需的時(shí)間要比裝滿(mǎn)油箱要長(zhǎng)得多。

為了提高鋰離子電池的充電容量并增加電動(dòng)汽車(chē)的采用率，業(yè)界將不得不重新回到電池如何隨著時(shí)間的推移磨損的基礎(chǔ)科學(xué)。

多學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了鋰離子電池電極最全面的視圖，其中大多數(shù)損壞通常發(fā)生在反復(fù)充電。研究人員表示，制造商可以利用這些信息為您的智能手機(jī)或汽車(chē)設(shè)計(jì)更可靠，更持久的電池。

“知識(shí)的創(chuàng)造有時(shí)比解決電池電極損壞問(wèn)題更有價(jià)值，”普渡大學(xué)機(jī)械工程助理教授趙克杰說(shuō)。“以前，人們沒(méi)有技術(shù)或理論來(lái)理解這個(gè)問(wèn)題。”

這項(xiàng)技術(shù)在期刊“ 先進(jìn)能源材料”和“ 力學(xué)與物理學(xué)雜志”中得到了解釋?zhuān)举|(zhì)上是一種由人工智能驅(qū)動(dòng)的X射線(xiàn)工具。它可以使用機(jī)器學(xué)習(xí)算法自動(dòng)掃描鋰離子電池電極中的數(shù)千個(gè)粒子 - 一直到構(gòu)成粒子本身的原子。

當(dāng)然，電池電極實(shí)際上有數(shù)百萬(wàn)個(gè)顆粒。但研究人員現(xiàn)在可以比以前更徹底地分析它們 - 并且在我們?cè)诂F(xiàn)實(shí)世界中使用商用電池的各種操作條件下，例如它們的電壓窗口以及它們充電的速度。

“大部分工作都集中在單個(gè)顆粒水平上，并使用該分析來(lái)了解整個(gè)電池。但是那里顯然存在差距;微米級(jí)的單個(gè)顆粒和更大規(guī)模的整個(gè)電池之間存在很大差異，”趙說(shuō)，他的實(shí)驗(yàn)室研究了電池的機(jī)械和電化學(xué)方面如何相互影響的基礎(chǔ)科學(xué)。

每次電池充電時(shí)，鋰離子在正電極和負(fù)電極之間來(lái)回傳播。這些離子與電極中的顆粒相互作用，導(dǎo)致它們隨著時(shí)間的推移而破裂和降解。電極損壞會(huì)降低電池的充電容量。

趙說(shuō)，電池很難同時(shí)具有高容量和可靠性。增加電池容量通常意味著犧牲其可靠性。

研究人員在制定鋰離子電池?fù)p壞方面的工作始于他們發(fā)現(xiàn)電池顆粒的降解不會(huì)同時(shí)或在同一地點(diǎn)發(fā)生; 有些粒子比其他粒子更快失敗。

但要真正更詳細(xì)地研究這一點(diǎn)，團(tuán)隊(duì)需要完全創(chuàng)造一種新技術(shù); 現(xiàn)有方法不能完全捕獲電池電極的損壞。

研究人員轉(zhuǎn)向歐洲同步輻射裝置(ESRF)和SLAC國(guó)家實(shí)驗(yàn)室斯坦福同步輻射光源(SSRL)的大型，長(zhǎng)達(dá)數(shù)英里的同步加速器設(shè)施。這些設(shè)施容納以幾乎光速行進(jìn)的粒子，發(fā)出用于產(chǎn)生稱(chēng)為同步加速器X射線(xiàn)的圖像的輻射。

弗吉尼亞理工大學(xué)的研究人員制造了用于測(cè)試的材料和電池 - 從智能手機(jī)中的袋式電池到手表中的紐扣電池。ESRF和SSRL的研究人員創(chuàng)造了在一次掃描中盡可能多地掃描這些電池中的電極粒子的能力，然后生成這些X射線(xiàn)圖像用于分析。顆粒表面的顆粒破裂和降解圖譜稱(chēng)為“界面剝離”，現(xiàn)在可以作為了解電池電極損傷程度的參考工具。

為了解這些裂縫如何影響電池性能，趙在普渡大學(xué)的團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了理論和計(jì)算工具。例如，他們發(fā)現(xiàn)，由于鋰離子來(lái)回穿梭的地方(稱(chēng)為“隔板”)比電極材料底部附近的顆粒更常用，因此它們更快失效。

電極顆粒損壞或“異質(zhì)降解”的這種可變性在較厚的電極和快速充電條件下更嚴(yán)重。

“電池的容量并不取決于有多少顆粒在電池，重要的是如何使用鋰離子，”趙說(shuō)。

該項(xiàng)目的目標(biāo)不是每個(gè)研究人員和行業(yè)參與者都使用該技術(shù)本身 - 特別是考慮到美國(guó)只有少數(shù)幾個(gè)同步加速器 - 但這些團(tuán)隊(duì)使用該技術(shù)產(chǎn)生的知識(shí)。研究人員計(jì)劃繼續(xù)使用該技術(shù)記錄損壞的發(fā)生情況并影響商用電池的性能。


標(biāo)簽： X射線(xiàn)圖
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