新設備揭開鋰離子微觀工作，助力智能機電動汽車和動力電池研發(fā)2021-06-28 08:07
鋰離子電池是目前最為廣泛利用的一種二次電池,其具有能量密度大、自放電率低、電勢差高、循環(huán)壽命長等優(yōu)點。鋰離子電池已在許多領域實現(xiàn)應用,如手機、電動汽車、衛(wèi)星、飛船、水下機器人等。但是,鋰電子電池并非沒有缺點,其在功率密度、充電速度、使用壽命等方面還有改進的空間。
要想改善其性能,首先必須借助設備了解鋰電池的內部工作機制。然而,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(shù)十萬倍)。也就是說,想要研究鋰電池在現(xiàn)實條件下真實發(fā)生的內部過程,是一件較為困難的事情。
針對這一問題,來自劍橋大學的科學家們利用干涉散射顯微鏡的成像技術,開發(fā)出了一款新型顯微鏡。該顯微鏡不僅可以觀察電池在數(shù)小時內的充放電情況,還可以迅速地捕捉電池內部發(fā)生的過程。
該工具通過分析光束與散射光的相互作用,可以對微小物體進行同步測量和成像?；诖?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(fā)生相變的顆粒邊界(這點與設備的充電率有很大關系)。
此外,研究人員還發(fā)現(xiàn)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。通過觀察這些機制,并對相關過程進行操縱,顯著提升了電池的性能。
總的來說,這套新穎且低成本的顯微技術,首次揭開了鋰離子的微觀工作。未來,希望該研究成果能助力智能機電動汽車和動力電池的研發(fā)。目前,相關論文《電池中單粒離子動力學的可操作光學追蹤》,已發(fā)表在《自然》雜志上。
要想改善其性能,首先必須借助設備了解鋰電池的內部工作機制。然而,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(shù)十萬倍)。也就是說,想要研究鋰電池在現(xiàn)實條件下真實發(fā)生的內部過程,是一件較為困難的事情。
針對這一問題,來自劍橋大學的科學家們利用干涉散射顯微鏡的成像技術,開發(fā)出了一款新型顯微鏡。該顯微鏡不僅可以觀察電池在數(shù)小時內的充放電情況,還可以迅速地捕捉電池內部發(fā)生的過程。
該工具通過分析光束與散射光的相互作用,可以對微小物體進行同步測量和成像?；诖?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(fā)生相變的顆粒邊界(這點與設備的充電率有很大關系)。
此外,研究人員還發(fā)現(xiàn)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。通過觀察這些機制,并對相關過程進行操縱,顯著提升了電池的性能。
總的來說,這套新穎且低成本的顯微技術,首次揭開了鋰離子的微觀工作。未來,希望該研究成果能助力智能機電動汽車和動力電池的研發(fā)。目前,相關論文《電池中單粒離子動力學的可操作光學追蹤》,已發(fā)表在《自然》雜志上。
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