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經過三千次充放觀察,科學家終于找到锂電池衰減的另一個重要因素

電動汽車的銷量增長速度比預期的快很多,這引發了電動汽車電池研發的空前盛況,電池技術日新月異,可是無論電池技術多麼的先進,電池的衰減都不可避免。

最近,科學家對锂離子電池充放電循環過程中導緻的衰減又有了新的發現,一個既簡單合理但又非常難以确定的衰減原因在科學家努力了很長時間以後終于被發現了,這進一步加深了對锂離子電池循環壽命的理解,為設計出更好的壽命更長的锂離子電池做出重要貢獻。

影響锂離子電池循環壽命的因素很多:充電次數、放電深度、過充、過放、過冷、過熱、電極材料、電解液等等。

其中充放電過程中,锂離子在電池正負極材料的嵌入與脫嵌都會對電極材料産生機械力,電極材料的膨脹與收縮次數的增多,導緻電極材料出現裂紋,而這正是電池性能急速下降的一個重要的原因。

這也是學術界普遍的共識,機械力應變會影響電池的壽命。

在科技還不如現在那麼發達的以前,想觀察電池的充放電循環導緻機械應變很困難,但是科學家還是有辦法,那就是用手拆,這是一個艱巨的過程,對不同的充放次數分别進行拆解再觀察,看到了電池随着充放次數的增加,電極材料逐漸出現裂紋。

随着科技的發展,檢測手段的進步,顯微鏡的應用使得科學家能更清楚地觀察到電極裂紋的産生大概是在進行了多少次充放電循環後開始發生的,但是依然還是使用手拆的方式将電池進行拆解再用顯微鏡觀察。

通過手拆的方式來觀察電池,會破壞電池的結構,因此,科學家僅僅隻能确認電極的裂紋會影響電池的壽命,無法進一步知道這種裂紋對電池的其餘部分産生其他什麼樣的影響。

電池充放次數的增多會加劇衰減的過程,科學家相信裂紋的産生肯定會引發一系列的連鎖反應,隻是苦于檢測手段的落後,一直無法得知是什麼反應。

随着掃描透射電鏡高分辨率X射線技術的發展,對電池充放過程産生的機械應變的了解也越來越清晰,科學家迫切的需要觀察到完整的電池進行充放電後,電池内部發生了什麼變化,即進行電池原位觀察。

可喜的是,現在的技術已經可以做到這點了。

加拿大薩斯喀徹溫大學的研究人員另辟蹊徑,使用同步加速器設施的生物成像和插入設備光束線(BMIT)設施對完整的電池充放過程進行CT掃描,觀察到了裂紋産生後的連鎖反應,這個反應很合理,但是一直都無法确認,第一次被這個科研團隊發現了。

他們用三元锂電池來進行研究,三個三元锂電池的充放電循環次數不同,分别是3887次、3675次和1550次,同時用新的三元锂電池來做對照。

當對這些電池進行原位CT掃描後,他們發現随着電池的充放循環次數增多,電池中的微裂紋越來越嚴重,而電池中的電解液則被吸入到裂紋之間的空隙中,這導緻了電池内部電解液的減少。

電解液的消耗會導緻嚴重的問題,因為電池的電解液不足,電池可能會立即停止工作。

這解釋了為什麼之前觀察到從裂紋開始産生的循環數開始,電池的衰減在急劇的發生。由于之前的研究是使用手拆的方式進行觀察,電池拆解後結構被破壞,即使看到了裂紋中有電解液,也無法得知是不是由于拆解污染造成的。

可能有人會說,這不是很容易理解麼?裂紋有空隙,進電解液很正常。不用說,科學家也知道。但是科學是講究證據的,即使很合理,沒有真正觀察到就無法下結論。

這個發現為設計壽命更長的電池邁出了重要的一步。目前他們的研究結果發表了在學術期刊《Journal of the Electrochemical Society》上。

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