锂的狭窄路径限制电池

赖斯大学的研究表明,典型阴极中未对准颗粒的压力限制了流动。

迈克·威廉姆斯(Mike Williams) 2022年4月29日
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如果您能够缩小足够的空间,可以在锂电池电极上进行出色的航行,那么您会看到每个尺度的充电水平都非常不平衡。

这对电池的健康不利。认识到该问题的赖斯大学研究人员与能源部有详细查看电极中各种颗粒在使用过程中如何与锂相互作用的研究人员。

具体而言,材料的稻米实验室科学家Ming Tang分析了磷酸锂阴极中的纳米尺度相互作用,这是通过布鲁克黑文国家实验室和阿尔贡国家实验室的传输X射线显微镜功能提供的建模和成像。

在公共磷酸锂(LFP)电池电极中的一个聚集粒子的相位图显示了电荷分布,从4​​%到86%。FP是指磷酸铁。赖斯大学的科学家发现,FP阶段在充电时在骨料表面上不均匀地扩散,而不是锂在表面上的预期传播。比例尺为10微米。由中尺度材料科学小组提供

在公共磷酸锂(LFP)电池电极中的一个聚集粒子的相位图显示了电荷分布,从4​​%到86%。FP是指磷酸铁。赖斯大学的科学家发现,FP阶段在充电时在骨料表面上不均匀地扩散,而不是锂在表面上的预期传播。比例尺为10微米。由中尺度材料科学小组提供

他们在《美国化学学会》杂志上的论文ACS Energy Letters支持理论唐和他的同事几年前的形成,预测锂如何在典型的商业阴极内部的动态环境中传播。

能够观看布鲁克黑文的密封阴极充电和排放提供了绝对的证明。

材料科学和纳米工程副教授唐说:“电池有很多吸收并放弃锂的粒子聚集体,我们想知道它们的表面上会发生什么,反应是多么均匀。”“通常,我们始终想要更均匀的反应,以便我们可以更快地为电池充电。”

在布鲁克黑文强大的X射线同步加速器上拍摄的图像中,研究人员看到阴极内部的某些区域在吸收方面比其他地区更好。在3D中查看单个或聚集的颗粒的能力表明,锂不是在其整个表面上做出反应,而是偏爱特定区域而不是其他区域。

唐说:“这与传统智慧大不相同。”“最有趣的观察结果是,这些反应区域的形状像一维丝上,位于这些聚集的颗粒的表面上。这很奇怪,但它与我们在模型中看到的相符。”

他说,颗粒团聚物中未对准的微晶之间的应力可以防止锂均匀地插入或从聚集体表面萃取,因为这会产生太大的能量惩罚。取而代之的是,锂被迫在形成灯丝形状的“热点”处流入或流出聚集体。

赖斯大学材料科学家的一项研究表明,锂电池将受益于更多孔的二级(聚集)颗粒,其颗粒具有更好的结晶石,不会限制锂分布。科学家研究了循环电极电极的3D传输X射线图像,以分析磷酸锂(蓝色)和铁磷酸铁(红色)(红色)之间的相变,这些颗粒凝集酸盐表面构成电极。由中尺度材料科学小组提供

赖斯大学材料科学家的一项研究表明,锂电池将受益于更多孔的二级(聚集)颗粒,其颗粒具有更好的结晶石,不会限制锂分布。科学家研究了循环电极电极的3D传输X射线图像,以分析磷酸锂(蓝色)和铁磷酸铁(红色)(红色)之间的相变,这些颗粒凝集酸盐表面构成电极。由中尺度材料科学小组提供

唐说,锂丝看起来像是厚的纳米管,并且宽几百纳米,长几微米。

这对电池性能意味着什么?

“这是一件坏事,”唐说。“由于锂不能统一地进入阴极,因此它会减慢互化力学。

他说:“我们的研究提供的是一些潜在的方法来帮助使锂插入或提取在这些聚集体或单个颗粒上更加均匀。”“在粒子团聚物中引入一些孔隙率可能会牺牲一些能量密度,但同时允许锂更均匀地进入。这可以使您以给定的充电/放电率获得更多的能量。

他说:“另一个想法是,如果我们可以以某种方式对齐这些小颗粒的方向,以便它们的最大膨胀彼此垂直,那么它们将更好地适应锂的插入。”

他承认,这对于电池制造商来说将是一个挑战。

唐说:“我们没有足够的合成经验来知道如何实现这一目标。”“我们提供的是诱饵。让我们看看是否有人咬人。”

- 由Web内容经理Chris Vavra编辑,控制工程,CFE媒体和技术,cvavra@cfemedia.com


迈克·威廉姆斯
作者简历:迈克·威廉姆斯(Mike Williams)是赖斯大学公共事务办公室的高级媒体关系专家。