據(jù)外媒報道,康奈爾大學(xué)(Cornell University)的研究人員發(fā)現(xiàn)了長期限制鈉離子電池耐用性的根源,并為制造商提供賦能21世紀(jì)的新策略。
鈉離子電池由豐富的材料制成,具有能量密集、不易燃等特點(diǎn),且在較低溫度下運(yùn)行良好,因此是電動汽車、能源網(wǎng)等應(yīng)用領(lǐng)域十分具有前景的技術(shù)。但是工程師們稱該電池的化學(xué)反應(yīng)還不夠完善。雖然現(xiàn)代電子產(chǎn)品中的鋰離子電池可以充電數(shù)千次,但大多數(shù)鈉離子電池只能循環(huán)其中的一小部分。
其耐久性差是因?yàn)殡S著離子穿過電池?zé)o序晶體結(jié)構(gòu)并最終破壞了該結(jié)構(gòu),電池運(yùn)行中的特定原子重組P2-O2會相變。雖然研究人員對相變很感興趣,但其背后的機(jī)制一直難以研究,尤其是在電池運(yùn)行期間。
康奈爾大學(xué)研究小組發(fā)現(xiàn),隨著鈉離子在電池中移動,單個顆粒內(nèi)晶體層的錯誤取向會增加,然后這些層會在P2-O2相變前突然對齊。材料科學(xué)與工程助理教授Andrej Singer表示:“我們發(fā)現(xiàn)了一種新的關(guān)鍵機(jī)制。在電池充電期間,原子會突然重新排列并促進(jìn)有缺陷的相變。”
通過使用康奈爾高能同步加速器源(High Energy Synchrotron Source),該團(tuán)隊開發(fā)出一種新的X射線成像技術(shù),因此能夠觀察到這一現(xiàn)象,從而能夠?qū)崟r和大規(guī)模地觀察電池樣品中單個粒子的行為。
Singer稱:“意外的原子排列在傳統(tǒng)的粉末X射線衍射測量中是不可見的,因?yàn)樗枰吹絾蝹€陰極納米粒子的內(nèi)部。但如今高通量數(shù)據(jù)可使我們能夠揭示該微妙但關(guān)鍵的機(jī)制。”
憑借該發(fā)現(xiàn),研究團(tuán)隊為其使用的鈉離子電池類型提出全新設(shè)計方案,并計劃在未來研究項目中進(jìn)行調(diào)查。研究第一作者、博士生Jason Huang稱其中一種解決方案是修改電池化學(xué)成分,在有缺陷的過渡階段前給粒子引入一種戰(zhàn)略性無序。
Jason Huang表示:“通過改變我們的過渡金屬(如鎳和錳)的比例,我們可以引入一些無序,并盡可能降低我們觀察到的有序效應(yīng)。”
Huang稱新的表征技術(shù)可用于揭示其他納米粒子系統(tǒng)中的復(fù)雜相行為,但其最佳應(yīng)用可能仍處于下一代儲能技術(shù)中。Huang表示:“我們將更加了解鈉離子電池,并推動相關(guān)前沿技術(shù)的發(fā)展。通過利用這些知識,我們可以設(shè)計出更好的電池將,從而解鎖未來實(shí)際應(yīng)用。”
原標(biāo)題: 康奈爾大學(xué)工程師發(fā)現(xiàn)鈉離子電池產(chǎn)生關(guān)鍵缺陷的原因