搞好配方,才能制造更高安全,长寿命的锂离子电池

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2018-07-27 15:41:37

美国普渡大学的工程师,包括博士研究生候选人daniel robles(如图所示),正在发现更多关于锂离子电池如何工作的信息,这些信息应该有助于科研人员研发更安全、更持久的电池。

美国普渡大学的一个研究团队发表了一篇研究报告:主要研究内容为锂离子电池的活性和非活性元素之间的关系,以及它们各自成分的微观和纳米结构如何反映电池的性能和安全性。

该研究最近被刊登在了“acs applied materials&interfaces”杂志的封面上。

“可再充电电池随处可见,”机械工程副教授,这项研究的首席研究员partha mukherjee说,“我们可能随时随身携带两三台便携式电子产品,但科学家对于电池本身的不同元素之间的相互作用仍不清楚,我们的研究则希望弥合这一差距。”

在mukherjee的能源和运输科学实验室(etsl),研究人员研究了各种形式的能源运输和储存,包括电池和燃料电池。他们使用计算机建模来提出涉及组成元素的新配置,然后在实验室中测试不同的现象。

“这就像烘烤蛋糕一样,”机械工程的博士候选人aashutosh mistry说。“你应该使用多少面团?你应该放入多少樱桃,才能让它的味道很好呢?同样的,我们看看这些电池电极的基本比例或配方。我们在微观尺度上的任何改变最终都会影响到电池的整体表现。”

“我们拿电动汽车为例,”mukherjee说,“人们对三件事感兴趣:1、性能:我能开多快的车?寿命:在充电之前我可以开车多久?最后是安全问题。我们已经看到这些电池在公开场合出现故障,在智能手机和电动汽车中爆裂,这些事故令人叹为观止。因此,所有这三个方面:性能,寿命和安全,都是非常重要的,对于科研人员来讲,要想让一切都变得恰到好处,达到平衡,其实是很棘手的一件事情。

有时候,他们的实验室会故意重现这些惊人的失败。在一辆典型的电动汽车中,电池不是一个巨大的单元,而是由数千个单独的电池连接在一起构成的。如果一个电池出故障了,附近的其他电池会发生什么?在一次测试中,一个由24个单元组成的样本模块(大约一个砖的大小)被故意过度充电。一个电池爆裂,导致连锁反应,所有的电池都着 火了。

“如果一个电池内部的温度和压力太高了,它融化了金属外壳,就会引发事故。”博士生daniel robles说。他拿着一个塑料袋,里面装着电池烧焦的残骸。“在一辆电动汽车中,有几千个这样的电池,它们就位于你的座位下面!这就是为什么了解这些现象的基本原理是非常重要的,这样我们才可以防止意外的发生。”

可充电电池通常包含一个正电极和负电极,由“活性材料”组成以储存锂。在两个电极之间是隔膜,并且在整个过程中都有液体电解质来传输锂离子。最后,诸如导电添加剂和粘合剂(称为“第二相”)的电化学非活性材料的组合有助于塑造复合多孔电极中的物理成分并提高导电率。在已发表的研究中,mukherjee和他的团队研究了微观和纳米尺度(孔隙率,物理形状以及它们之间的相互作用)上的活性物质与次级相之间的关系。任何这些特性的改变都会导致电池整体性能的显著变化。

mukherjee说:“在理解这些复杂的相互作用方面,我们还处于初级阶段,但这是我们研究的关键,我们将微型和纳米尺度的研究同电池的性能,寿命和安全联系起来。”

随着可充电电池的普及,其研究变得更加重要。“从便携式电子产品到车辆,甚至在大型电网中,电池正在被广泛使用,这对于储能研究来说是一个非常激动人心的时刻。”

原文来自techxplore,原文题目:making safer and more powerful lithium-ion batteries requires the right recipe,由材料科技在线团队翻译整理。