美國利用X射線斷層攝影術觀察固態鋰電池內部
時間:2021-02-01 09:14來源:蓋世汽車 作者:Fairy
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固態電池在佐治亞理工學院設計的定制硬件中充放電（圖片來源：佐治亞理工學院）
據外媒報道，美國佐治亞理工學院（Georgia Institute of Technology）的一個研究小組利用X射線斷層攝影術觀察到固態鋰電池在充放電過程中，其材料的內部演變過程。該項研究獲得的詳細三維信息可幫助改進固態電池的可靠性和性能，此種電池采用了固態材料取代了現有鋰離子電池中的易燃液體電解質。
該種現場原位同步X射線計算微斷層攝影術成像揭示了鋰/固體電解質界面上電極材料的動態變化如何決定固態電池的行為。研究人員發現，電池運行會導致該界面上形成空洞，從而無法制造接觸，這也是電池電芯失效的主要原因。
現在，移動電子設備、電動汽車等都在廣泛采用鋰離子電池，此種電池依賴液體電解質，在電池的充放電循環過程中，在電極之間來回運輸離子。此種液體均勻地覆蓋在電極上，可以讓離子自由移動。
快速發展的固態電池技術則采用了固態電解質，此種電解質能夠提升未來電池的能量密度和安全性。但是，從電極上去除鋰會在界面上造成空洞，從而影響電池的可靠性，限制了電池的使用壽命。
研究人員表示：“為了解決這個問題，可以想象成通過不同的沉積工藝打造結構化界面，以在電池充放電過程中保持接觸。仔細控制和打造此類界面結構對于研發未來固態電池非常重要，我們的研究成果也有助于設計此種界面。”
用x射線斷層掃描重建的電池內鋰/固體電解質界面的3D視圖（圖片來源：佐治亞理工學院）
佐治亞理工學院研究小組在論文第一作者兼研究生Jack Lewis的帶領下，打造了寬約為兩厘米的特制測試電芯，然后在芝加哥附近美國能源部辦公室阿貢國家實驗室（Argonne National Laboratory）的同步設施——先進光子源（Advanced Photon Source）進行研究。該小組的四名成員在為期5天的密集實驗中研究了電池結構的變化。
研究人員表示：“該儀器會從不同方向拍攝照片，然后可以利用計算機算法重建，提供電池隨著時間推移所呈現的3D圖片。我們在電池充放電過程中，對電池變化進行成像，以將電池運行時其內部的變化實現可視化。”
由于鋰很輕，用X射線將其成像非常具有挑戰性，而且需要特殊設計的測試電芯。阿貢國家實驗室采用的技術與醫學計算機斷層攝像（CT）掃描非常相似，只是不是對人成像，而是對電池成像。
不過，由于測試具有局限性，研究人員只能觀察到電池單次充放電循環中的結構變化。在未來的研究中，研究人員希望能夠在多次循環中觀察到變化，以及觀察到該結構是否適應了空洞的形成以及填充了空洞。研究人員認為，該研究成果可能適用于其他電解質設計配方，而此種表征技術能夠用于獲取其他電池工藝的信息。
電動汽車的電池必須在預計15萬英里的壽命內承受至少1000次充放電循環，而由鋰金屬電極制成的固態電池在特定尺寸下能夠提供更多的能量。但是，除非固態電池的使用壽命與現有電池相當，否則其優勢仍然無法超越現有的電池技術。
研究人員表示：“我們對固態電池的技術發展前景感到非常興奮，在該領域可以實現巨大的商業和科學利益，而且該項研究獲取的信息可以推動該技術實現更廣泛的商業應用。”
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