经过三千次充放观察,科学家终于找到锂电池衰减的另一个重要因素

经过3000次充放电测试,科学家找到了锂电池衰减的另一个重要因素!

电动汽车的销量增长速度比预期的快很多,这引发了电动汽车电池研发的空前盛况,电池技术日新月异,可是无论电池技术多么的先进,电池的衰减都不可避免。

最近,科学家对锂离子电池充放电循环过程中导致的衰减又有了新的发现,一个既简单合理但又非常难以确定的衰减原因在科学家努力了很长时间以后终于被发现了,这进一步加深了对锂离子电池循环寿命的理解,为设计出更好的寿命更长的锂离子电池做出重要贡献。

影响锂离子电池循环寿命的因素很多:充电次数、放电深度、过充、过放、过冷、过热、电极材料、电解液等等。

其中充放电过程中,锂离子在电池正负极材料的嵌入与脱嵌都会对电极材料产生机械力,电极材料的膨胀与收缩次数的增多,导致电极材料出现裂纹,而这正是电池性能急速下降的一个重要的原因。

这也是学术界普遍的共识,机械力应变会影响电池的寿命。

经过三千次充放观察,科学家终于找到锂电池衰减的另一个重要因素

在科技还不如现在那么发达的以前,想观察电池的充放电循环导致机械应变很困难,但是科学家还是有办法,那就是用手拆,这是一个艰巨的过程,对不同的充放次数分别进行拆解再观察,看到了电池随着充放次数的增加,电极材料逐渐出现裂纹。

随着科技的发展,检测手段的进步,显微镜的应用使得科学家能更清楚地观察到电极裂纹的产生大概是在进行了多少次充放电循环后开始发生的,但是依然还是使用手拆的方式将电池进行拆解再用显微镜观察。

通过手拆的方式来观察电池,会破坏电池的结构,因此,科学家仅仅只能确认电极的裂纹会影响电池的寿命,无法进一步知道这种裂纹对电池的其余部分产生其他什么样的影响。

电池充放次数的增多会加剧衰减的过程,科学家相信裂纹的产生肯定会引发一系列的连锁反应,只是苦于检测手段的落后,一直无法得知是什么反应。

经过三千次充放观察,科学家终于找到锂电池衰减的另一个重要因素

随着扫描透射电镜高分辨率X射线技术的发展,对电池充放过程产生的机械应变的了解也越来越清晰,科学家迫切的需要观察到完整的电池进行充放电后,电池内部发生了什么变化,即进行电池原位观察。

可喜的是,现在的技术已经可以做到这点了。

加拿大萨斯喀彻温大学的研究人员另辟蹊径,使用同步加速器设施的生物成像和插入设备光束线(BMIT)设施对完整的电池充放过程进行CT扫描,观察到了裂纹产生后的连锁反应,这个反应很合理,但是一直都无法确认,第一次被这个科研团队发现了。

他们用三元锂电池来进行研究,三个三元锂电池的充放电循环次数不同,分别是3887次、3675次和1550次,同时用新的三元锂电池来做对照。

当对这些电池进行原位CT扫描后,他们发现随着电池的充放循环次数增多,电池中的微裂纹越来越严重,而电池中的电解液则被吸入到裂纹之间的空隙中,这导致了电池内部电解液的减少。

经过三千次充放观察,科学家终于找到锂电池衰减的另一个重要因素

电解液的消耗会导致严重的问题,因为电池的电解液不足,电池可能会立即停止工作。

这解释了为什么之前观察到从裂纹开始产生的循环数开始,电池的衰减在急剧的发生。由于之前的研究是使用手拆的方式进行观察,电池拆解后结构被破坏,即使看到了裂纹中有电解液,也无法得知是不是由于拆解污染造成的。

可能有人会说,这不是很容易理解么?裂纹有空隙,进电解液很正常。不用说,科学家也知道。但是科学是讲究证据的,即使很合理,没有真正观察到就无法下结论。

这个发现为设计寿命更长的电池迈出了重要的一步。目前他们的研究结果发表了在学术期刊《Journal of the Electrochemical Society》上。

作者为中国科学院博士,美国藤校研究员,科学技术控,接触一线科技研发,乐于分享,欢迎关注科技酷探。

出处:见配图水印

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