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研究人員實時觀察鋰離子的運動狀況 以提高電動汽車電池材料的性能

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2023年03月14日  

研究人員發現,在下一代電池材料中,鋰離子的不規則運動可能降低電池容量,并影響性能。據外媒報道,在劍橋大學(UniversityofCambridge)研究人員的領導下,該團隊在富有前景的新型電池材料中實時跟蹤了鋰離子的運動狀況。


以往有觀點認為,在電池材料中,單個活性粒子中的鋰離子存儲機制是均勻的。然而,在此項研究中,研究人員發現,在充放電循環中鋰的存儲并不均勻。當電池的放電循環快要結束時,活性粒子的表面達到鋰飽和,其核心則缺乏鋰。這會導致可重復使用的鋰減少,以及電池容量下降。


鋰電池具有高能量密度,廣泛應用于電動汽車。然而,出于對更長續航里程和更快充電時間的需求,要改進目前的電池材料,以及找到新的材料。這項研究將有助于改善現有電池材料,并加速開發下一代電池。


目前,作為領先的正極材料,層狀富鎳鋰氧化物廣泛應用于高端電動汽車。然而,其運行機制,尤其是在實際操作環境中的鋰離子傳輸,以及這和其電化學性能之間的聯系,尚未完全明了。因此,這些材料還無法充分發揮其性能潛力。


在電池運行過程中,通過顯微鏡跟蹤光和活性粒子的相互用途。研究人員發現,在充放電循環過程中,富鎳錳鈷氧化物(NMC)中的鋰存儲存在明顯差異。劍橋大學化學系的研究人員AliceMerryweather表示:這是首次在單個粒子直接觀察到不均勻的鋰存儲。這類實時技術發揮了重要用途,因此可以在電池循環期間獲得新發現。


研究人員結合實驗觀察和計算機建模發現,這種不均勻性來源于充放電循環期間NMC中的鋰擴散速度發生了巨大變化。具體地說,鋰離子在完全鋰化的NMC顆粒中擴散緩慢。然而,一旦從這些顆粒中提取一些鋰離子,擴散速度就會明顯加快。劍橋大學工程學系的ShrinidhiPandurangi博士表示:通過這種模型,可以了解在充電早期階段鋰離子在NMC中的擴散變化范圍。該模型可準確地預測鋰分布,并獲得在實驗中觀察到的非均勻性的程度。這些預測結果非常關鍵,有助于了解其他電池的退化機制,比如粒子斷裂。


在第一次充放電循環后,富鎳正極材料通常會損失約10%的容量。在放電結束時觀測到的非均勻性鋰,供應了其中的原因之一。該研究的第一作者之一、上海科技大學(ShanghaiTechUniversity)的徐超博士在劍橋大學期間完成了這項研究。他表示:這一發現具有重要意義。因為判斷電池是否應該退役的一個行業標準是,電池容量下降20%。


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