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研究發現:快速充電會降低電動汽車鋰離子電池性能

2022.2.15 新聞中心 02/15 每日一新

NL-024_安仁國際新聞中心
2022年第024期

 

一項新研究試圖確定在快速充電時導致電動汽車鋰離子電池性能下降的原因,欲速則不達這一俗語可能尤其適於描述電池出現的這種情況。

 

在美國能源部阿貢國家實驗室的新研究中,科學家們發現了在電池充放電時,電池兩端出現的有趣化學行為。

 

鋰離子電池包含一個帶正電的陰極和一個帶負電的陽極,它們被一種名為電解質的材料分開,電解質可以在它們之間移動鋰離子。與許多鉛筆中的材料相同,這些電池的陽極通常是由石墨製成的。然而,在鋰離子電池中,石墨是由小顆粒組成的。在這些顆粒內,鋰離子可以在一種被稱為插層的流程中被插入。當插層現象適時出現時,電池就可以成功進行充放電。

 

研究指出,當鋰離子電池充電過快時,插層問題會變得更加棘手。鋰離子不是順利進入石墨,而是傾向於聚集在陽極表面上,導致 "電鍍 "效應,可能對電池造成終端損害。

 

"電鍍是快速充電期間電池性能受損的主要原因之一,"研究作者、阿貢電池科學家Daniel Abraham表示。"當電池快速充電時,我們發現,除了陽極表面的鍍層外,還有反應產物在電極孔內部堆積。" 結果,陽極本身會發生某種程度的不可逆膨脹,損害電池性能。

 

使用一種叫做掃描電子納米衍射的技術,Abraham和他來自伊利諾大學Urbana-Champaign分校的同事觀察到石墨顆粒的另一個明顯變化。在原子層面上,由於反復快速充電,顆粒邊緣的石墨原子晶格會變得扭曲,阻礙了插層進程。

 

"基本上,我們看到的是,石墨中的原子網路變得扭曲,這使鋰離子無法在顆粒內部找到它們的'家'。相反,它們會在顆粒上盤旋。

 

我們給電池充電的速度越快,陽極原子就會變得更加無序,這將最終阻止鋰離子來回移動。"關鍵是要找到防止這種組織損失的方法,或者以某種方式改變石墨顆粒,使鋰離子能夠更有效的插入。"

 

此前《電化學學會期刊》刊發了一篇基於這一研究的、名為《快速充電鋰離子電池陽極的多長度尺度表徵顯示石墨顆粒邊緣的無序增加》的文章。

 

除了Abraham外,該研究的其他作者還包括阿貢的Marco-Tulio Rodrigues以及伊利諾大學Urbana-Champaign分校的Jian-Min Zuo和Saran Pidaparthy。這項研究由能源部科學辦公室資助,Pidaparthy的研究由科學辦公室研究生研究(SCGSR)專案資助,SCGSR項目旨在幫助研究生為STEM職業生涯做好準備,這對實現能源部的使命至關重要。