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劍橋科學家找到了可同時對鋰離子運動進行測量和成像的新方法

2021-06-25 11:29  來源:cnBeta.COM  瀏覽:  

通過更好地了解鋰電池工作的復雜性,科學家們可以找到改善其性能的方法。而來自劍橋大學的科學家們,剛剛開發出了一款強大的新工具。在昨日發表于《自然》雜志的研究論文中,其介紹了針對《電池中單粒離子動力學的可操作光學追蹤》。這套新穎且低成本的顯微技術,首次為我們揭示了鋰離子的微觀工作。


研究配圖 - 1:LCO 電極的電化學性能與干涉散射顯微鏡

研究團隊希望此類觀察結果,有助于加速智能機 / 電動汽車動力電池的研發,讓未來的我們可以用上只需極短的時間,即可完成充電的新型電池。

論文合著者、來自劍橋大學的 Christopher Schnedermann 博士表示:“優質電池擁有更高的能量密度、或者更快的充電速度,但在理想的情況下,我們希望兼而有之”。

研究配圖 - 2:電池運行期間,活性例子的光學響應。


不過在使用新材料打造更好用的電池之前,我們需要對現有的電池加以改進,并深入了解其內部到底發生了什么。

尷尬的是,目前只有使用昂貴、復雜的設備,才能達到這一目的 —— 比如動用電子顯微鏡、或者極其強大的同步加速 X 射線機(其強度是典型 X 射線機的數十萬倍)。

 

研究配圖 - 3:脫鋰 / 鋰化時的雙相相變行為


研究一作 Alice Merryweather 解釋稱,對于科學家們來說,想要研究鋰電池在現實世界條件下真實發生的內部過程,那樣也算不上是一種切實可行的方法。

“基本上,你必須讓顯微鏡同時做兩件事 —— 除了觀察電池在數小時內的充放電,還需要非常迅速地捕捉電池內部發生的過程”。

 

研究配圖 - 4:施加各種電流密度下的雙相相變行為


為取得突破,劍橋大學科學家們利用了一種被稱作干涉散射顯微鏡的成像技術。通過分析參考光束與散射光的相互作用,即可對微小物體進行同步測量和成像。

基于此,研究團隊得以實時對鈷酸鋰電極內的單個粒子進行成像,并且揭示了一些有趣的行為。比如在充放電過程中,鋰離子在進出時發生相變的顆粒邊界(這點與設備的充電率有很大關系)。

 

研究配圖 - 5:Li0.5CoO2 組成的單斜畸變動力學(有無形成域的對比)


通過簡單地觀察這種機制,并設法對相關過程進行操縱,也是我們向著提升電池性能而邁出的重要一步。帶領這項研究的 Akshay Rao 博士稱:

“我們發現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。比如在充電過程中,其速率取決于鋰離子通過活性材料顆粒的速度。而在放電時,它又取決于例子在邊緣進入的速度”。

  美國  鋰電池
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