X射线图像揭示了电池磨损的过程
栏目:行业动态 发布时间:2019-06-29 14:06
(来源:Perdue官方网站)Geshi Automotive News用于电动汽车的锂离子电池技术与智能手机,笔记本电脑和几乎所有电子产品相同,但这项技术的改进极为缓慢。虽然电动汽车可以满足大多...


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(来源:Perdue的官方网站)

用于电动汽车的锂离子电池技术与智能手机,笔记本电脑和几乎所有电子产品相同,但这种技术的改进极其缓慢。虽然电动汽车可以满足大多数美国人每日旅行的需求,但普通燃料汽车的行驶距离更远。除了充电站较少的问题之外,电池充电时间比加油时间长得多。为了提高锂离子电池的承载能力,提高电动汽车的利用率,汽车行业需要重新审视电池磨损的基础科学。

据国外媒体报道,几家研究机构的研究人员组成了一个研究小组,对锂离子电池电极进行了最全面的研究。他们发现大部分电池磨损都是由反复充电引起的。研究人员表示,制造商可以利用他们生成的信息为智能手机或汽车设计更可靠耐用的电池。普渡大学机械工程助理教授赵克杰表示,“有时创造知识比解决电池电极造成的损害更有价值。以前,没有技术或理论来解释电池电极的损坏问题。”

研究人员提出的新技术本质上是一种人工智能引导的X射线工具,它通过机器学习算法自动扫描锂离子电池电极上的数千个颗粒,以检测构成颗粒的原子。电池的电极中有数百万个颗粒。研究人员现在可以更详细地分析它们,包括各种模拟分析,例如不同的电压窗口和加载速度。

赵的实验室研究了电池如何在力学和电化学方面相互作用的基础科学。他说,“以前的大部分研究都集中在单个颗粒水平和相关分析上,以了解整个电池。但是,这里显然存在一个差距,即与大型通用电池相比,微米级的单个颗粒有许多不同之处。“

每当电池充电时,锂离子在正极和负极之间来回移动。这些离子与电极中的颗粒相互作用,导致它们随着时间的推移而破裂并降解。电极损坏会降低电池的充电能力。赵说,电池很难具有高容量和可靠性。增加电池容量通常意味着牺牲可靠性。研究人员发现,电池颗粒的降解不会同时发生,有些颗粒比其他颗粒更快失效,从而绘制出锂离子电池损坏图。但是,现有方法不能完全捕获电池电极的损坏过程。为了进行详细研究,团队需要创造一种全新的技术。

研究人员转向欧洲同步辐射装置(ESRF)和斯坦福同步辐射源(SSRL)的同步加速器。这些大型,英里长的同步加速器装置带有几乎以光速移动的粒子,释放辐射并产生同步的X射线图像。弗吉尼亚理工大学的研究人员制作了测试材料和电池,包括智能手机袋电池和手表纽扣电池。 ESRF和SSRL的研究人员能够让这些机器将尽可能多的电极粒子数字化到细胞中,然后生成X射线图像进行分析。粒子表面破裂和粒子降解图,称为“界面分离”,现在可以用作参考工具来理解电池电极的损坏程度。

为了解这些裂缝如何影响电池性能,赵在Perdue大学开发了一个理论和计算工具。例如,他们发现锂离子来回移动时,附近的颗粒(称为“分离器”)比电极材料的底部使用更多的颗粒,因此它们会更快地失效。在较厚的电极和快速加载条件下,电极颗粒损坏或“异质降解”的可变性更严重。赵说:“电池的容量不取决于电池中的颗粒数量,重要的是使用锂离子。”

考虑到美国只有少数几个同步加速器,该项目不允许每个研究人员和行业参与者采用这种技术,但他们可以利用这项技术产生的信息。研究人员计划继续使用该技术记录损坏的发生方式以及这会如何影响商用电池的性能。

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