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充放电循环的背后:新研究揭示了影响新旧锂电池寿命的关键因素

2022-05-07 10:50:19  来源:cnBeta.COM

经历 10 次充放电循环的一块电池正极

起初,衰减似乎由单个电极粒子的特性所驱动。但在持续了数十次充放电循环后,这些粒子是如何组织到一起的,就显得更加重要了。

SLAC 科学家、斯坦福同步加速器辐射光源研究员、兼这项研究的资深作者 Yijin Liu 表示:

构成电池电极的这些粒子,属于最基本的构建块。但当你放大后,就会注意到这些粒子的相互作用。

正因如此,若你想要打造更优秀的电池,就必须深入了解这些粒子是如何组合到一起的。

这项研究的重点,并不仅仅放在单个粒子上,还涉及它们的协同工作,以找到影响其寿命长短的模式。

于是在过往研究的基础上,Liu 与同僚们借助了计算机视觉技术,来研究构成可充电电池电极的单个粒子,是如何随时间推移而分解的。

研究资深作者、普渡大学机械工程教授 Keije Zhao 与弗吉尼亚理工大学化学教授 Feng Lin 拿人举例称:

一开始,电池粒子各走各的路。但最终,彼此之间就会撞到,然后一起朝着某个方向去使劲。

想要了解峰值效率,就必须深入研究粒子的个体、以及它们在群体中的行为。

(传送门:Science)

为了探索这个想法,研究一作、SSRL 博士后研究员 Jizhou Li、普渡大学研究生 Nikhil Sharma 与其他同事展开了合作,以期用 X 射线对电池的阴极展开研究。

在经历了 10 或 50 个充放电周期后,他们用 X 射线断层扫描方法重建了 3D 图像,然后将这些 3D 图片分割成一系列 2D 切片、并使用计算机视觉方法来识别粒子。

最终他们确定了 2000+ 的单个粒子,不仅计算了每个粒子的大小、形状、表面粗糙度等特征,还计算了更多的全局特性 —— 比如粒子彼此接触的频率与形状变化程度。

接下来他们他们研究了这些细分特性是如何导致粒子分解的,并找到了一种不可忽略的模式 —— 即在 10 次充放电循环后,单个粒子的特性影响最大,包括颗粒的球形程度、以及体积 / 表面积比率。

然而在经历了 50 次循环之后,两个粒子相距多远、其形状发生了多大的变化、以及更细长的足球形粒子是否具有相似的取向,又在推动粒子分解这件事上发挥了更大的影响力。

Yijin Liu 补充道:换言之,与单个粒子相比,此时粒子间的相互作用变得更加重要。基于此,锂电池制造商可尝试开发出控制这种特性的相关技术。

比如他们可以借助磁场或电场,以将细长的粒子彼此对齐。新研究结果已经表明,这么做有助于延长电池的使用寿命。

关键词: 科学探索 充放电循环的背后新研究揭示了影响新旧锂电池

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