研究:無序岩鹽材料可以讓充電電池變得更快更安全

據媒體報導,影響消費者接受電動汽車(EV)的最大因素之一是充電所需的時間–通常由鋰離子電池供電。根據充電方式和電池剩餘電量的不同,EV可能需要幾個小時或一整夜才能充滿電。這迫使司機要麼限制出行到遠離他們家庭充電器的地方,要麼在長途旅行中找到公共充電站並等待。

研究:無序岩鹽材料可以讓充電電池變得更快更安全

為什麼電池充滿電需要這麼長的時間,即使是那些用於手機和筆記本電腦等小型設備的電池也是如此?主要原因是設備及其充電器的設計使得可充電鋰離子電池只能以較慢的受控速率充電。這是一種安全功能,有助於防止火災甚至爆炸,因為微小的、堅硬的樹狀結構–被稱為樹突–可以生長在鋰電池內部,當快速充電時會引發電池內部短路。

為了解決對更實用的鋰離子電池的需求,來自加州大學聖地亞哥分校的研究人員跟橡樹嶺國家實驗室(ORNL)的科學家合作,他們在一種新型材料上進行中子散射實驗,這種材料可以用來製造更安全、充電更快的電池。

題為《A disordered rock salt anode for fast-charging lithium-ion batteries》的相關研究報告已發表在《自然》上。

「製造鋰離子電池陽極最常用的兩種材料是石墨–它能提供高能量密度,但在某些情況下會引發火災,以及鈦酸鋰–能快速充電,不太可能引起火災但儲能能力較低,」這項研究的論文第一作者Haodong Liu說道,「我們開發的無序岩鹽材料結合了兩種理想的特性–它更安全、充電更快且具有更高的能量密度。」

這種材料在許多電池應用中表現出了理想的性能,如電動汽車和電動工具,包括能量存儲和放電速度。

在測試中,岩鹽陽極材料能在短短20秒內提供超40%的能量容量。快速充放電之所以成為可能是因為岩鹽材料可以在其晶體結構內的空位內循環兩個鋰離子。

「在ORNL使用中子衍射技術使我們能理解當我們對材料施加電壓時離子的行為,」Liu說道,「中子可以很容易地跟蹤岩鹽陽極內的鋰離子和氧原子,並使用ORNL的散裂中子源(SNS)的VULCAN儀器提供了我們所需的高中子通量和解析度。」

VULCAN是為中子研究變形、相變、殘余應力、織構和工程材料的微觀結構而設計。裝載框架、熔爐、電池循環器和其他用於現場試驗、穩態或時間解析測量的輔助設備都跟該儀器集成在一起。

「VULCAN是世界上研究工程材料的頂級中子散射儀器,」ORNL的中子散射科學家Ke An說道,「它的開放式設計允許測試大樣本,甚至是正常運轉的機械設備如運行中的內燃機,並觀察它們的內部特性。該儀器為電池材料合成過程中的儲能研究及其在工作電池中的行為提供了重要的科學信息。」

研究人員表明,岩鹽陽極可以循環超10000次,容量衰減可以忽略不計。這種持久性對於消費者應用程式非常重要。

Liu說道:「這項研究是我們研究小組和ORNL長期合作的一部分,(截止目前)已經發表了20多篇同行評審的期刊論文。ORNL的中子科學理事會的工作人員跟我還有我的同事密切合作以此來幫助我們了解中子的能力,另外他們還教授我們如何使用儀器進行實驗和解釋數據。」

研究人員還在加州大學歐文分校和能源部的布魯克海文國家實驗室進行了高解析度顯微鏡研究以解決結構變化。

一旦這些實驗和ORNL的實驗完成,阿貢國家實驗室的科學家及能源部勞倫斯伯克利國家實驗室的科學家將展開X射線衍射和X射線吸收研究,進而揭示材料在充放電過程中的晶體結構變化和電荷補償機制。

像大多數用戶一樣,加州大學聖地亞哥分校保留其對數據和實驗過程中產生的任何智慧財產權的權利。為了將他們的發現商業化,這所大學隨後跟其研究人員合作成立了一家名為Tyfast的公司,該公司計劃首先瞄準電動公交車和電動工具市場。

來源:cnBeta