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通过厚和薄中子跟踪电池电极中的锂离子

弗吉尼亚州夏洛茨维尔 - 到2023年,锂离子电池预计将拥有470亿美元的全球市场价值。它们用于多种应用,因为它们具有相对较高的能量密度(存储容量),高工作电压,较长的保质期和“记忆效应”很小 - 由于先前使用中的不完全放电而导致可充电电池的最大容量减少。然而,诸如安全性,充放电循环和使用寿命预期的因素继续限制锂离子电池在重型应用中的有效性,例如用于为电动车辆供电。

弗吉尼亚大学工程学院的研究人员正在橡树岭国家实验室采用中子成像技术探测锂离子电池,并深入了解电池材料和结构的电化学特性。他们的研究发表在电源杂志上,专注于跟踪锂离子电池电极中的锂化和脱锂 - 或充电和放电 - 使用两种电活性材料,钛酸锂和钴酸锂的薄和厚烧结样品。

了解锂在电池电极中的移动方式对于设计可以更快速充电和放电的电池非常重要。在某些电池中,这是最慢的过程,这意味着通过电极改善锂的运动可以使电池更快地再充电。

“当电极相对较厚时,锂离子通过多孔材料和隔板结构的传输会限制充电和放电速率,”UVA工程公司化学工程副教授Gary Koenig说。“为了开发通过填充电解质的电极多孔空隙区域改善锂离子传输的方法,我们首先需要能够在充电和放电过程中跟踪电池内离子的传输和分布。”

根据Koenig的说法,其他技术如高分辨率X射线衍射可以在电化学过程中提供详细的结构数据,但这种方法通常平均相对大量的材料。类似地,X射线相位成像可以显示电池电解质中的盐浓度,但该技术需要特殊的光谱化学电池并且只能访问电极区域之间的成分信息。

为了获得更广泛区域的详细信息,研究人员在Oak Ridge的High Flux Isotope Reactor的冷中子成像光束线上使用中子进行了研究。

“锂对中子的吸收系数很大,这意味着通过材料的中子对其锂浓度非常敏感,”Koenig集团的第一作者和研究生Ziyang Nie说。“我们证明了我们可以使用中子射线照片跟踪电池单元内薄而厚的金属氧化物阴极中的原位锂化。由于中子具有高穿透性,我们无需为分析建立定制单元,并且能够跟踪锂电池。包含电极和电解质的整个活性区域。“

比较薄电极和厚电极中的锂化过程对于帮助理解异质性 - 机械,结构,传输和动力学性质的局部变化 - 对电池寿命和性能的影响是必不可少的。局部异质性还可能导致不均匀的电池电流,温度,充电状态和老化。通常,随着电极厚度的增加,异质性对电池性能的不利影响也会增加。然而,如果可以在电池中使用较厚的阳极和阴极而不影响其他因素,则有助于提高储能容量。

对于初始实验,薄电极样品的钛酸锂厚度为0.738mm,钴酸锂的厚度为0.463mm,而厚的钛酸锂和钴酸锂的样品分别为0.886mm和0.640mm。

“我们的直接目标是开发一个模型,帮助我们了解如何修改电极的结构,例如改变材料的取向或分布方式,可以改善离子传输性能,”Koenig说。“通过在不同时间点对每个样品进行成像,我们能够创建锂分布的二维图。未来,我们计划在中子束内旋转样品,以提供更多信息。详细说明异质性如何影响离子迁移。“

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