剑桥科学家找到了可同时对锂离子运动进行测量和成像的新方法

2021年06月24日 19:42 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论

通过更好地了解锂电池工作的复杂性,科学家们可以找到改善其性能的方法。而来自剑桥大学的科学家们,刚刚开发出了一款强大的新工具。在昨日发表于《自然》杂志的研究论文中,其介绍了针对《电池中单粒离子动力学的可操作光学追踪》。这套新颖且低成本的显微技术,首次为我们揭示了锂离子的微观工作。

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研究配图 - 1:LCO 电极的电化学性能与干涉散射显微镜

研究团队希望此类观察结果,有助于加速智能机 / 电动汽车动力电池的研发,让未来的我们可以用上只需极短的时间,即可完成充电的新型电池。

论文合著者、来自剑桥大学的 Christopher Schnedermann 博士表示:“优质电池拥有更高的能量密度、或者更快的充电速度,但在理想的情况下,我们希望兼而有之”。

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研究配图 - 2:电池运行期间,活性例子的光学响应。

不过在使用新材料打造更好用的电池之前,我们需要对现有的电池加以改进,并深入了解其内部到底发生了什么。

尴尬的是,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)。

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研究配图 - 3:脱锂 / 锂化时的双相相变行为

研究一作 Alice Merryweather 解释称,对于科学家们来说,想要研究锂电池在现实世界条件下真实发生的内部过程,那样也算不上是一种切实可行的方法。

“基本上,你必须让显微镜同时做两件事 —— 除了观察电池在数小时内的充放电,还需要非常迅速地捕捉电池内部发生的过程”。

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研究配图 - 4:施加各种电流密度下的双相相变行为

为取得突破,剑桥大学科学家们利用了一种被称作干涉散射显微镜的成像技术。通过分析参考光束与散射光的相互作用,即可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)。

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研究配图 - 5:Li0.5CoO2 组成的单斜畸变动力学(有无形成域的对比)

通过简单地观察这种机制,并设法对相关过程进行操纵,也是我们向着提升电池性能而迈出的重要一步。带领这项研究的 Akshay Rao 博士称:

“我们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”。

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