新设备揭开锂离子微观工作，助力智能机电动汽车和动力电池研发

  保护板新闻     |      2021-06-28 08:16
锂离子电池是目前最为广泛利用的一种二次电池,其具有能量密度大、自放电率低、电势差高、循环寿命长等优点。锂离子电池已在许多领域实现应用,如手机、电动汽车、卫星、飞船、水下机器人等。但是,锂电子电池并非没有缺点,其在功率密度、充电速度、使用寿命等方面还有改进的空间。

要想改善其性能,首先必须借助设备了解锂电池的内部工作机制。然而,目前只有使用昂贵、复杂的设备,才能达到这一目的,比如动用电子显微镜、或者极其强大的同步加速 X 射线机(其强度是典型 X 射线机的数十万倍)。也就是说,想要研究锂电池在现实条件下真实发生的内部过程,是一件较为困难的事情。

针对这一问题,来自剑桥大学的科学家们利用干涉散射显微镜的成像技术,开发出了一款新型显微镜。该显微镜不仅可以观察电池在数小时内的充放电情况,还可以迅速地捕捉电池内部发生的过程。

该工具通过分析光束与散射光的相互作用,可以对微小物体进行同步测量和成像。基于此,研究团队得以实时对钴酸锂电极内的单个粒子进行成像,并且揭示了一些有趣的行为。比如在充放电过程中,锂离子在进出时发生相变的颗粒边界(这点与设备的充电率有很大关系)。

此外,研究人员还发现锂离子电池有不同的速度限制,且这取决于它是在充电还是放电。比如在充电过程中,其速率取决于锂离子通过活性材料颗粒的速度;而在放电时,它又取决于例子在边缘进入的速度。通过观察这些机制,并对相关过程进行操纵,显著提升了电池的性能。

总的来说,这套新颖且低成本的显微技术,首次揭开了锂离子的微观工作。未来,希望该研究成果能助力智能机电动汽车和动力电池的研发。目前,相关论文《电池中单粒离子动力学的可操作光学追踪》,已发表在《自然》杂志上。