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普林斯頓大學發(fā)現(xiàn)隱藏缺陷 為電動汽車提供更好的固態(tài)電池
日期:2022-09-14   [復制鏈接]
責任編輯:sy_qianjiao 打印收藏評論(0)[訂閱到郵箱]
蓋世汽車訊 與傳統(tǒng)鋰離子電池相比,固態(tài)電池的充電速度更快、續(xù)航里程和使用壽命更長,可以在電動汽車中發(fā)揮重要作用。然而,由于目前的制造和材料加工技術(shù)有限,固態(tài)電池容易退化。據(jù)外媒報道,研究人員發(fā)現(xiàn)了一種導致電池退化的隱藏缺陷,接下來將針對這些缺陷進行材料和技術(shù)設(shè)計,以生產(chǎn)下一代電池。

(圖片來源:普林斯頓大學)

在固態(tài)電池中,帶電粒子(離子)在固體材料中移動。而在傳統(tǒng)的鋰離子電池中,離子通過液體移動。根據(jù)這項新發(fā)現(xiàn),雖然固態(tài)電池具有優(yōu)勢,但固態(tài)材料中的局部變化或微小缺陷會導致電池磨損或短路。

普林斯頓大學安德林格能源和環(huán)境中心(Andlinger Center for Energy and the Environment)的研究人員Kelsey Hatzell表示:“如果希望離子在空間中的每一點都以相同的速度移動,使用均勻一致的材料,具有重要意義。”

研究人員利用阿貢國家實驗室(Argonne National Laboratory)的高科技工具,在電池實際充放電時檢測和跟蹤電池中的納米尺度材料變化。該研究團隊代表普林斯頓工程學院(Princeton Engineering)、范德比爾特大學(Vanderbilt)、阿貢國家實驗室和橡樹嶺國家實驗室(Oak Ridge National Lab),探討電池固態(tài)電解質(zhì)中由晶體組成的顆粒。這是電池的核心部分,電荷通過固態(tài)電解質(zhì)移動。

電池將電能儲存在電極材料中,包括正極和負極。當電池釋放能量為車輛供電時,帶電粒子(離子)會穿過電池到達正極。固態(tài)或液態(tài)電解質(zhì)是離子在正負極之間的移動路徑。沒有電解質(zhì),離子就無法在正負極之間移動并儲存能量。

在固態(tài)電池中,電解質(zhì)通常是陶瓷或致密的玻璃。采用固態(tài)電解質(zhì)的固態(tài)電池,可以使用鋰金屬等能量密度更高的材料,并使電池更輕、更小。對于電動汽車等運輸應(yīng)用來說,重量、體積和充電能力是關(guān)鍵因素。而且固態(tài)電池比其他類型的電池更安全,更不易著火。

以前研究人員認為,固態(tài)電池的電解質(zhì)容易發(fā)生退化,而且似乎是隨機性的退化。在本項研究中,研究人員則懷疑,固態(tài)電池的退化不是隨機的,而是由電解質(zhì)中的晶體結(jié)構(gòu)變化引起的。為了探索這一假設(shè),研究人員利用阿貢實驗室的同步加速器,借助強大的X射線來觀察電池運行狀態(tài)。通過結(jié)合X射線成像和高能衍射技術(shù),在埃尺度上研究石榴石電解質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)。因此,研究人員可以從晶體層面研究石榴石的變化。

石榴石電解質(zhì)由晶粒構(gòu)建塊組成。單獨的電解質(zhì)(直徑1mm)中幾乎有30,000個不同的晶粒。研究人員發(fā)現(xiàn),在這30,000個晶粒中,主要有兩種結(jié)構(gòu)安排,可以不同的速度移動離子。此外,Hatzell表示,這些不同的形式或結(jié)構(gòu)“可能導致應(yīng)力梯度,導致離子向不同的方向移動,或者使離子遠離電芯部分。”

研究人員認為,帶電離子在電池中的移動,如同水順流而下,遇到巖石后則改變方向。有大量離子通過的區(qū)域往往壓力更高。Hatzell表示:“如果讓所有的離子通過一個區(qū)域,就會導致電池快速退化。為了構(gòu)建能夠持續(xù)數(shù)千次充電循環(huán)的電池,需要控制離子在電解質(zhì)中的移動位置和方式。”

通過制造技術(shù)和添加少量不同的化學物質(zhì)(稱為摻雜劑),可以控制晶粒的一致性,從而穩(wěn)定電解質(zhì)中的晶體形態(tài)。研究人員表示,“關(guān)于如何避免異質(zhì)性,還有很多未經(jīng)檢驗的假設(shè)。當然這具有挑戰(zhàn)性,但也不是不可能解決的。”

原標題:普林斯頓大學發(fā)現(xiàn)隱藏缺陷 為電動汽車提供更好的固態(tài)電池
 
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來源:蓋世汽車
 
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