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普林斯頓大學(xué)發(fā)現(xiàn)隱藏缺陷 為電動(dòng)汽車提供更好的固態(tài)電池
日期:2022-09-14   [復(fù)制鏈接]
責(zé)任編輯:sy_qianjiao 打印收藏評(píng)論(0)[訂閱到郵箱]
蓋世汽車訊 與傳統(tǒng)鋰離子電池相比,固態(tài)電池的充電速度更快、續(xù)航里程和使用壽命更長,可以在電動(dòng)汽車中發(fā)揮重要作用。然而,由于目前的制造和材料加工技術(shù)有限,固態(tài)電池容易退化。據(jù)外媒報(bào)道,研究人員發(fā)現(xiàn)了一種導(dǎo)致電池退化的隱藏缺陷,接下來將針對(duì)這些缺陷進(jìn)行材料和技術(shù)設(shè)計(jì),以生產(chǎn)下一代電池。

(圖片來源:普林斯頓大學(xué))

在固態(tài)電池中,帶電粒子(離子)在固體材料中移動(dòng)。而在傳統(tǒng)的鋰離子電池中,離子通過液體移動(dòng)。根據(jù)這項(xiàng)新發(fā)現(xiàn),雖然固態(tài)電池具有優(yōu)勢(shì),但固態(tài)材料中的局部變化或微小缺陷會(huì)導(dǎo)致電池磨損或短路。

普林斯頓大學(xué)安德林格能源和環(huán)境中心(Andlinger Center for Energy and the Environment)的研究人員Kelsey Hatzell表示:“如果希望離子在空間中的每一點(diǎn)都以相同的速度移動(dòng),使用均勻一致的材料,具有重要意義。”

研究人員利用阿貢國家實(shí)驗(yàn)室(Argonne National Laboratory)的高科技工具,在電池實(shí)際充放電時(shí)檢測(cè)和跟蹤電池中的納米尺度材料變化。該研究團(tuán)隊(duì)代表普林斯頓工程學(xué)院(Princeton Engineering)、范德比爾特大學(xué)(Vanderbilt)、阿貢國家實(shí)驗(yàn)室和橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室(Oak Ridge National Lab),探討電池固態(tài)電解質(zhì)中由晶體組成的顆粒。這是電池的核心部分,電荷通過固態(tài)電解質(zhì)移動(dòng)。

電池將電能儲(chǔ)存在電極材料中,包括正極和負(fù)極。當(dāng)電池釋放能量為車輛供電時(shí),帶電粒子(離子)會(huì)穿過電池到達(dá)正極。固態(tài)或液態(tài)電解質(zhì)是離子在正負(fù)極之間的移動(dòng)路徑。沒有電解質(zhì),離子就無法在正負(fù)極之間移動(dòng)并儲(chǔ)存能量。

在固態(tài)電池中,電解質(zhì)通常是陶瓷或致密的玻璃。采用固態(tài)電解質(zhì)的固態(tài)電池,可以使用鋰金屬等能量密度更高的材料,并使電池更輕、更小。對(duì)于電動(dòng)汽車等運(yùn)輸應(yīng)用來說,重量、體積和充電能力是關(guān)鍵因素。而且固態(tài)電池比其他類型的電池更安全,更不易著火。

以前研究人員認(rèn)為,固態(tài)電池的電解質(zhì)容易發(fā)生退化,而且似乎是隨機(jī)性的退化。在本項(xiàng)研究中,研究人員則懷疑,固態(tài)電池的退化不是隨機(jī)的,而是由電解質(zhì)中的晶體結(jié)構(gòu)變化引起的。為了探索這一假設(shè),研究人員利用阿貢實(shí)驗(yàn)室的同步加速器,借助強(qiáng)大的X射線來觀察電池運(yùn)行狀態(tài)。通過結(jié)合X射線成像和高能衍射技術(shù),在埃尺度上研究石榴石電解質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)。因此,研究人員可以從晶體層面研究石榴石的變化。

石榴石電解質(zhì)由晶粒構(gòu)建塊組成。單獨(dú)的電解質(zhì)(直徑1mm)中幾乎有30,000個(gè)不同的晶粒。研究人員發(fā)現(xiàn),在這30,000個(gè)晶粒中,主要有兩種結(jié)構(gòu)安排,可以不同的速度移動(dòng)離子。此外,Hatzell表示,這些不同的形式或結(jié)構(gòu)“可能導(dǎo)致應(yīng)力梯度,導(dǎo)致離子向不同的方向移動(dòng),或者使離子遠(yuǎn)離電芯部分。”

研究人員認(rèn)為,帶電離子在電池中的移動(dòng),如同水順流而下,遇到巖石后則改變方向。有大量離子通過的區(qū)域往往壓力更高。Hatzell表示:“如果讓所有的離子通過一個(gè)區(qū)域,就會(huì)導(dǎo)致電池快速退化。為了構(gòu)建能夠持續(xù)數(shù)千次充電循環(huán)的電池,需要控制離子在電解質(zhì)中的移動(dòng)位置和方式。”

通過制造技術(shù)和添加少量不同的化學(xué)物質(zhì)(稱為摻雜劑),可以控制晶粒的一致性,從而穩(wěn)定電解質(zhì)中的晶體形態(tài)。研究人員表示,“關(guān)于如何避免異質(zhì)性,還有很多未經(jīng)檢驗(yàn)的假設(shè)。當(dāng)然這具有挑戰(zhàn)性,但也不是不可能解決的。”

原標(biāo)題:普林斯頓大學(xué)發(fā)現(xiàn)隱藏缺陷 為電動(dòng)汽車提供更好的固態(tài)電池
 
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來源:蓋世汽車
 
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