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研究人員開發新型拉伸電極 提高電池的存儲容量和壽命

2021-09-06 來源:蓋世汽車

據外媒報道,目前在電動汽車、電子設備等領域,電池已得到廣泛應用,并有望成為可持續能源存儲選項。眾所周知,每天為電池充電,會使其功能逐漸衰退。最終更換這些電池,不僅要付出大量成本,而且會消耗稀土資源。


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(圖片來源:viterbischool)


據外媒報道,導致電池壽命縮短的關鍵因素在于電池的結構完整性出現退化。為了阻止結構退化,美國南加州大學維特比工程學院(USC Viterbi School of Engineering)的研究團隊希望,通過“拉伸”電池材料,使其可以反復循環,不致出現結構疲勞。這項研究由該校航空航天與機械工程學WiSE Gabilan助理教授Ananya Renuka-Balakrishna、該校博士生Delin Zhang及布朗大學Brian Sheldon教授的團隊人員領導進行。


通常情況下,在電池充放電過程中,離子在電極中反復嵌入和脫嵌,從而擴張和壓縮電極晶格。隨著時間的推移,在電極材料中,這些體積變化會逐漸導致產生微裂紋、裂縫和缺陷,最終引起結構退化,電池容量下降,而不得不更換新電池。


為了阻止這種情況,研究人員提前拉伸這些插層電極。通過初始應力狀態變化來調節相變電壓,從而使電極更具彈性,改善斷裂或非晶化(失去其結晶特性)現象。


電壓范圍更廣、容量更大


當電池材料的物理形式發生變化時,會發生相變,這是由日常充電和使用時的膨脹和壓縮循環造成的。這些相變使電極更易發生結構退化,尤其是在這一過程反復發生時。要使電池在較長時間內保持有效功能,關鍵在于相位可逆性。Renuka-Balakrishna表示:“確保材料保持其結晶形式,可以充分增強可逆性。在一定電壓下,當從一個相轉變為另一相時,材料會變成粉狀,這不利于電池高效運行。”


為了讓電池材料在能量景觀之間循環往復時保持結晶狀態,研究人員通過引入初始應力狀態來改變材料的結構。Zhang表示:“通過在充電和放電之前拉伸電極,我們正在改變電極從充電狀態到放電狀態的能量景觀。通過初始應變,能夠降低這些轉變的能量屏障,從而防止產生有害的晶格變形,避免材料失效。這種能量景觀變化有助于防止產生微裂紋和裂縫,保護電池的可持續性和儲能能力。”


另外,通過拉伸電極,電池可以在更寬的電壓窗口工作,從而提高其儲能能力。


現代儲能面臨的挑戰


研究人員表示,儲能領域的主要關注點之一是,擺脫電池中常用的易燃液體電解質,并將其置入固體材料中。眾所周知,隨著時間的推移,固體物體會因反復受壓而受損。一旦出現裂紋,表面兩側將失去接觸。就電池而言,這會引起簡單的機械問題,因為沒有連接,很難在材料中傳輸離子。


Zhang指出的方法,嘗試解決這一機械挑戰,以開發更安全、更可持續的電池。研究人員表示,其新穎之處在于,通過引入基本力學概念延長現有材料壽命,而不是尋找新材料來延長電池的壽命。Renuka-Balakrishna表示:“在開發電池的過程中,并不總是納入力學概念。現在工程師們可以利用 Zhang開發和研究的這項理論和工具,設計并改變電池材料的有效期。”


研究人員表示,延長電池的使用壽命,有助于延長設備使用時間,充分減少電池更換頻率,使電子設備和電動汽車用戶受益。考慮到鋰離子電池的成本,隨著時間的推移,還將為用戶節省大量資金。此外,對于減排和減少廢舊電池而言,可持續能源存儲是重要組成部分。研究人員希望,通過這項工作,開辟一條新的研究路線,提高材料的可逆性。


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