研究人员用X射线来了解电池快速充电的缺陷。

研究人员用X射线来了解电池快速充电的缺陷。

仔细观察会发现快速充电可能会妨碍电池性能。

虽然油箱可以在几分钟内加满,但电动汽车的电池充电时间要长得多。为了平衡竞争环境,使电动汽车更具吸引力,科学家们正在研究快速充电技术。

美国能源部(DOE)阿贡国家实验室的电池科学家丹尼尔•亚伯拉罕(DanielAbraham)说:“快速充电对电动汽车非常重要。”“我们希望能够在15分钟内为电动汽车电池充电,如果可能的话甚至更快。”

阿贡电池科学家丹尼尔·亚伯拉罕说:“通过观察锂在电极中的分布情况,我们能够精确地确定电池老化的不均匀方式。”

快速充电的主要问题发生在锂离子从正极传输到负极的过程中。如果电池充电缓慢,从阴极中提取的锂离子会逐渐在构成石墨阳极的碳原子平面之间开槽,这一过程称为锂插层。

但当这个过程加快时,锂最终会以金属的形式沉积在石墨表面,这就是所谓的锂电镀。“当这种情况发生时,电池的性能会受到极大的影响,因为镀锂不能从一个电极移动到另一个电极,”亚伯拉罕说。

据亚伯拉罕所说,这种锂金属会以化学方式减少电池的电解质,从而形成固体电解质界面,将锂离子绑在一起,使锂离子不能在电极之间穿梭。因此,随着时间的推移,电池中存储的能量会减少。

为了研究锂离子在电池中的运动,亚伯拉罕与博士后研究员Koffi Pierre Yao和美国能源部科学用户设施办公室高级光子源实验室的阿贡X射线物理学家约翰·奥卡辛斯基合作。在那里,奥卡辛斯基通过使用X射线对阳极中的锂化石墨的每个相进行成像,基本上创建了电池的二维图像。

通过这种观点,研究人员能够精确地量化电池充电和放电过程中不同区域的锂含量。

在这项研究中,科学家们确定锂在快速充电条件下会在靠近电池分离器的区域聚集。

亚伯拉罕解释说:“从常识上说,你可能会想到这一点。”“但通过观察锂在电极内的分布情况,我们能够精确地确定电池老化的不均匀方式。”

为了有选择性地看到电池中心的一个特定区域,研究人员使用了一种称为能量分散X射线衍射的技术。研究人员改变入射光的波长,而不是改变光束的角度以到达特定的感兴趣区域。

通过使用X射线,阿贡的科学家们能够确定石墨层中的晶体结构。因为石墨是一种晶体材料,锂的插入会使石墨晶格膨胀到不同的程度。奥卡辛斯基说,由于衍射峰的不同,这些层的膨胀是显而易见的,这些峰的强度给出了石墨中锂的含量。

虽然这项研究主要集中在小型硬币电池上,但奥卡辛斯基说,未来的研究可以研究像智能手机和电动汽车上的电池一样,大型袋式电池的锂化行为。

1月9日的《能源与环境科学》在线版上发表了一篇论文,该论文基于这项研究,“使用Operando能量分散X射线衍射法定量锂离子电池石墨电极中的锂浓度梯度”。这项研究是由前阿贡博士后研究员Kaushik Kalaga和阿贡科学家Ilya Shkrob共同完成的。

这项研究得到了能源部能源效率和可再生能源办公室(车辆技术办公室)的支持。

关于能源部能源效率和可再生能源办公室

能源部能源效率和可再生能源办公室支持能源效率和可再生能源技术的早期研究和开发,以加强美国经济增长、能源安全和环境质量。

关于阿贡国家实验室

阿贡国家实验室寻求解决国家科技问题的办法。阿贡是美国第一个国家实验室,在几乎所有科学学科中进行前沿的基础和应用科学研究。阿贡研究人员与数百家公司、大学以及联邦、州和市政府机构的研究人员密切合作,帮助他们解决具体问题,提高美国的科学领导能力,为国家创造更好的未来做好准备。阿贡拥有60多个国家的员工,由美国能源部科学办公室的Uchicago Argonne,LLC管理。

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