新設(shè)備揭開(kāi)鋰離子微觀工作，助力智能機(jī)電動(dòng)汽車和動(dòng)力電池研發(fā)2021-06-28 08:07
鋰離子電池是目前最為廣泛利用的一種二次電池,其具有能量密度大、自放電率低、電勢(shì)差高、循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。鋰離子電池已在許多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用,如手機(jī)、電動(dòng)汽車、衛(wèi)星、飛船、水下機(jī)器人等。但是,鋰電子電池并非沒(méi)有缺點(diǎn),其在功率密度、充電速度、使用壽命等方面還有改進(jìn)的空間。
要想改善其性能,首先必須借助設(shè)備了解鋰電池的內(nèi)部工作機(jī)制。然而,目前只有使用昂貴、復(fù)雜的設(shè)備,才能達(dá)到這一目的,比如動(dòng)用電子顯微鏡、或者極其強(qiáng)大的同步加速 X 射線機(jī)(其強(qiáng)度是典型 X 射線機(jī)的數(shù)十萬(wàn)倍)。也就是說(shuō),想要研究鋰電池在現(xiàn)實(shí)條件下真實(shí)發(fā)生的內(nèi)部過(guò)程,是一件較為困難的事情。
針對(duì)這一問(wèn)題,來(lái)自劍橋大學(xué)的科學(xué)家們利用干涉散射顯微鏡的成像技術(shù),開(kāi)發(fā)出了一款新型顯微鏡。該顯微鏡不僅可以觀察電池在數(shù)小時(shí)內(nèi)的充放電情況,還可以迅速地捕捉電池內(nèi)部發(fā)生的過(guò)程。
該工具通過(guò)分析光束與散射光的相互作用,可以對(duì)微小物體進(jìn)行同步測(cè)量和成像。基于此,研究團(tuán)隊(duì)得以實(shí)時(shí)對(duì)鈷酸鋰電極內(nèi)的單個(gè)粒子進(jìn)行成像,并且揭示了一些有趣的行為。比如在充放電過(guò)程中,鋰離子在進(jìn)出時(shí)發(fā)生相變的顆粒邊界(這點(diǎn)與設(shè)備的充電率有很大關(guān)系)。
此外,研究人員還發(fā)現(xiàn)鋰離子電池有不同的速度限制,且這取決于它是在充電還是放電。比如在充電過(guò)程中,其速率取決于鋰離子通過(guò)活性材料顆粒的速度;而在放電時(shí),它又取決于例子在邊緣進(jìn)入的速度。通過(guò)觀察這些機(jī)制,并對(duì)相關(guān)過(guò)程進(jìn)行操縱,顯著提升了電池的性能。
總的來(lái)說(shuō),這套新穎且低成本的顯微技術(shù),首次揭開(kāi)了鋰離子的微觀工作。未來(lái),希望該研究成果能助力智能機(jī)電動(dòng)汽車和動(dòng)力電池的研發(fā)。目前,相關(guān)論文《電池中單粒離子動(dòng)力學(xué)的可操作光學(xué)追蹤》,已發(fā)表在《自然》雜志上。
要想改善其性能,首先必須借助設(shè)備了解鋰電池的內(nèi)部工作機(jī)制。然而,目前只有使用昂貴、復(fù)雜的設(shè)備,才能達(dá)到這一目的,比如動(dòng)用電子顯微鏡、或者極其強(qiáng)大的同步加速 X 射線機(jī)(其強(qiáng)度是典型 X 射線機(jī)的數(shù)十萬(wàn)倍)。也就是說(shuō),想要研究鋰電池在現(xiàn)實(shí)條件下真實(shí)發(fā)生的內(nèi)部過(guò)程,是一件較為困難的事情。
針對(duì)這一問(wèn)題,來(lái)自劍橋大學(xué)的科學(xué)家們利用干涉散射顯微鏡的成像技術(shù),開(kāi)發(fā)出了一款新型顯微鏡。該顯微鏡不僅可以觀察電池在數(shù)小時(shí)內(nèi)的充放電情況,還可以迅速地捕捉電池內(nèi)部發(fā)生的過(guò)程。
該工具通過(guò)分析光束與散射光的相互作用,可以對(duì)微小物體進(jìn)行同步測(cè)量和成像。基于此,研究團(tuán)隊(duì)得以實(shí)時(shí)對(duì)鈷酸鋰電極內(nèi)的單個(gè)粒子進(jìn)行成像,并且揭示了一些有趣的行為。比如在充放電過(guò)程中,鋰離子在進(jìn)出時(shí)發(fā)生相變的顆粒邊界(這點(diǎn)與設(shè)備的充電率有很大關(guān)系)。
此外,研究人員還發(fā)現(xiàn)鋰離子電池有不同的速度限制,且這取決于它是在充電還是放電。比如在充電過(guò)程中,其速率取決于鋰離子通過(guò)活性材料顆粒的速度;而在放電時(shí),它又取決于例子在邊緣進(jìn)入的速度。通過(guò)觀察這些機(jī)制,并對(duì)相關(guān)過(guò)程進(jìn)行操縱,顯著提升了電池的性能。
總的來(lái)說(shuō),這套新穎且低成本的顯微技術(shù),首次揭開(kāi)了鋰離子的微觀工作。未來(lái),希望該研究成果能助力智能機(jī)電動(dòng)汽車和動(dòng)力電池的研發(fā)。目前,相關(guān)論文《電池中單粒離子動(dòng)力學(xué)的可操作光學(xué)追蹤》,已發(fā)表在《自然》雜志上。
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