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X射线图像揭示电池磨损过程

   日期:2019-07-02     来源:盖世汽车网    浏览:1160    评论:0    
电动汽车所采用的锂离子电池技术,和智能手机、笔记本电脑以及几乎所有电子产品都一样,但这项技术的改进极其缓慢。虽然电动汽车可以满足大部分美国人日常出行的需要,而普通燃油车的行驶里程更远。除了充电站少这一问题,比起加油的时间,电池充电的时间也要长得多。为了提高锂离子电池的充电能力,增加电动汽车使用率,汽车行业不得不重新审视关于电池磨损的基础科学。

据外媒报道,来自多个研究所的人员组成研究小组,对锂离子电池的电极进行迄今为止最全面的研究。他们发现,电池磨损的大部分原因在于反复充电。研究人员称,制造商可以利用他们得出的信息,为智能手机或汽车设计更可靠、更耐用的电池。珀杜大学(Purdue University)机械工程助理教授Kejie Zhao说:“有时候,创造知识比解决电池电极损伤更有价值。以前,人们没有相关的技术或理论,来解释电池电极损伤这一问题。”

研究人员提出的新技术本质上是用人工智能驱动的X射线工具,通过机器学习算法,一次性可自动扫描锂离子电池电极上的数千个粒子,一直到组成粒子的原子。一个电池电极中存在数百万个粒子。现在,研究人员可以更彻底地对它们进行分析,包括各种仿真运行分析,比如不同的电压窗口和充电速度。

Zhao的实验室研究电池在机械和电化学方面如何相互影响的基础科学。他说:“此前的大部分研究都集中在单个粒子水平上,并通过相关分析,来了解整个电池。但是,这儿显然存在缺口,那就是微米尺度上的单个微粒,与整体的大电池比起来 ,有很多不同之处。”

每当电池充电时,锂离子就会在正负极之间来回移动。这些离子与电极中的粒子相互作用,导致它们随着时间的推移而破裂和降解。电极损坏会降低电池的充电能力。Zhao说,电池很难同时兼具高容量和可靠性。增加电池容量通常意味着牺牲可靠性。研究人员发现电池颗粒的降解不会同时同地发生,有些粒子比其他粒子失效更快,由此绘制出锂离子电池的损伤图。但是,现有方法无法完全捕捉到电池电极的损伤过程。为了进行详细研究,团队需要创造一种全新的技术。

研究人员求助于欧洲同步辐射装置(ESRF)和斯坦福同步辐射光源(SSRL)的同步加速器。这些大型同步加速器设施长达数英里,承载着几乎以光速运动的粒子,释放出辐射,产生同步X射线图像。弗吉尼亚理工大学的研究人员制造了用于测试的材料和电池,包括智能手机的口袋电池和手表的硬币电池等。ESRF和SSRL的研究人员,设法使这些机器可以一次扫描电池中尽可能多的电极粒子,然后生成X射线图像进行分析。颗粒表面的颗粒破裂和降解图,称为“界面脱粘”,现在可以作为了解电池电极损伤程度的参考工具。

为了了解这些裂纹如何影响电池性能,Zhao在珀杜大学的团队开发了理论和计算工具。例如,他们发现,在锂离子来回穿梭的地方,附近的粒子(称为“分离器”)比电极材料底部的粒子使用率更高,所以,它们失效的速度更快。在较厚的电极和快速充电条件下,电极颗粒损伤或“非均质退化”的变异性更为严重。Zhao说:“电池容量并不取决于电池中的颗粒多少,重要的是如何使用锂离子。”

考虑到美国只有几个同步加速器,所以该项目并不能让每个研究人员和行业参与者都采用这种技术,但他们可以利用这一技术所产生的信息。研究人员计划继续使用该技术来记录损坏是如何发生的,以及如何影响商用电池的性能。 
 

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