據(jù)美國(guó)弗吉尼亞大學(xué)官網(wǎng)近日?qǐng)?bào)道，該校研究人員正在橡樹嶺家實(shí)驗(yàn)室采用中子成像技術(shù)，探查鋰離子電池并深入理解電池材料和結(jié)構(gòu)的電化學(xué)特性。

背景

到2023年，鋰離子電池有望擁有470億美元的市場(chǎng)價(jià)值。鋰離子電池已經(jīng)廣泛應(yīng)用于諸多領(lǐng)域，因?yàn)樗鼈兛商峁┫鄬?duì)較高的能量密度（存儲(chǔ)容量），較高的工作電壓，較長(zhǎng)的保存期限，較少的“記憶效應(yīng)”。記憶效應(yīng)，是指可充電電池的最大容量由于之前使用中的不完全放電而減少。

諾基亞手機(jī)的鋰離子電池（圖片來源：維基百科）

Nissan Leaf 汽車的鋰離子電池組（圖片來源：維基百科）

筆記本電腦的鋰離子電池（圖片來源：維基百科）

然而，安全性、充放電循環(huán)、預(yù)期使用壽命等因素持續(xù)限制了鋰離子電池在電動(dòng)汽車等重型應(yīng)用中的效率。

創(chuàng)新

近日，美國(guó)弗吉尼亞大學(xué)工程學(xué)院的研究人員們正在橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（ORNL）采用中子成像技術(shù)，探查鋰離子電池并深入理解電池材料和結(jié)構(gòu)的電化學(xué)特性。他們的研究發(fā)表在《電源（Power Sources）》期刊上。在研究中，他們專注于采用兩種電活性材料“鈦酸鋰和鋰鈷氧化物”的薄燒結(jié)與厚燒結(jié)樣本，追蹤了鋰離子電池電極中的鋰化(lithiation)和脫鋰(delithiation)過程，或者說充電與放電過程。

（圖片來源：ORNL/Genevieve Martin）

技術(shù)

理解鋰是如何在電池電極中運(yùn)動(dòng)的，對(duì)于設(shè)計(jì)以更快速度充放電的電池來說很重要。在一些電池中，這是一個(gè)最緩慢的過程。這意味著，提升通過電極的鋰運(yùn)動(dòng)將使電池的充電速度變快許多。

美國(guó)弗吉尼亞大學(xué)工程學(xué)院化學(xué)工程系副教授加里·柯寧（Gary Koenig）表示：“當(dāng)電極相對(duì)較厚時(shí)，鋰離子通過多孔材料和隔膜結(jié)構(gòu)的輸運(yùn)，限制了充放電速率。為了開發(fā)新方法以改善通過電極中電解質(zhì)填充的多孔空隙區(qū)的鋰離子輸運(yùn)，我們首先需要能在充放電過程中，追蹤電池中的離子輸運(yùn)和分布。”

柯寧稱，其他的技術(shù)例如高分辨率X射線衍射，可提供電化學(xué)過程期間詳細(xì)的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，但是這種方法通常讓相對(duì)較大的材料體積變得平均化。類似地，X射線相位成像能使鋰電池電解質(zhì)中的鹽濃度變得形象化，但是這項(xiàng)技術(shù)需要特殊的光譜化學(xué)單元，并且只能訪問電極區(qū)域之間的成分信息。

為了獲取更大面積的詳細(xì)信息，研究人員采用位于橡樹嶺家實(shí)驗(yàn)室高通量同位素反應(yīng)堆的冷中子成像束線中的中子，開展他們的研究。

柯寧研究小組的研究生、論文領(lǐng)導(dǎo)作者聶子揚(yáng)（音譯）表示：“鋰對(duì)于中子來說具有很大的吸收系數(shù)，這意味著通過材料的中子對(duì)于鋰濃度高度敏感。我們展示了我們可以采用中子射線照相法，追蹤鋰電池內(nèi)部薄與厚的金屬氧化物正極中的原地鋰化反應(yīng)。因?yàn)橹凶拥拇┩感愿?，所以我們無需為了分析來定做電池，就能跨越包含電極和電解質(zhì)的整個(gè)活性區(qū)域來追蹤鋰。”

（圖片來源：參考資料【1】）

對(duì)于幫助理解不均勻性（機(jī)械、結(jié)構(gòu)、輸運(yùn)和動(dòng)力學(xué)特性的局部變化）對(duì)電池壽命和性能產(chǎn)生的影響來說，比較厚與薄的電極中的鋰化過程很有必要。局部不均勻性也會(huì)帶來不均勻的電池電流、溫度、電荷狀態(tài)和老化。通常來說，隨著電極厚度增加，不均勻性對(duì)于電池性能產(chǎn)生的不利影響也會(huì)增加。但是，如果較厚的正負(fù)極在電池中的應(yīng)用不會(huì)影響其他因素，那么這將有利于提升能量存儲(chǔ)容量。

對(duì)于初始實(shí)驗(yàn)來說，薄的鈦酸鋰電極樣本的厚度為0.738毫米，鋰鈷氧化物電極的厚度為0.463毫米，而厚的鈦酸鋰和鋰鈷氧化物電極的厚度分別為：0.886毫米與0.640毫米。

價(jià)值

柯寧表示：“我們當(dāng)前的目標(biāo)是開發(fā)一個(gè)模型，以幫助我們理解如何改變電極的結(jié)構(gòu)，例如改變材料的朝向或者分布，來改善離子輸運(yùn)特性。通過不同的時(shí)間點(diǎn)，對(duì)于每個(gè)樣本進(jìn)行成像，我們可以構(gòu)造出鋰分布的二維圖像。未來，我們計(jì)劃在中子束中旋轉(zhuǎn)我們的樣本，提供可以更詳細(xì)地展示關(guān)于不均勻性如何影響離子輸運(yùn)的三維信息。”

關(guān)鍵字

鋰電子電池、電極、成像

參考資料

【1】Ziyang Nie, Patrick McCormack, Hassina Z. Bilheux, Jean C. Bilheux, J. Pierce Robinson, Jagjit Nanda, Gary M. Koenig. Probing lithiation and delithiation of thick sintered lithium-ion battery electrodes with neutron imaging. Journal of Power Sources, 2019; 419: 127 DOI: 10.1016/j.jpowsour.2019.02.075