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        普林斯頓大學發現隱藏缺陷 為電動汽車提供更好的固態電池
        來源:蓋世汽車    作者:Elisha   發布時間:2022/09/14   瀏覽:()次


          蓋世汽車訊 與傳統鋰離子電池相比,固態電池的充電速度更快、續航里程和使用壽命更長,可以在電動汽車中發揮重要作用。然而,由于目前的制造和材料加工技術有限,固態電池容易退化。據外媒報道,研究人員發現了一種導致電池退化的隱藏缺陷,接下來將針對這些缺陷進行材料和技術設計,以生產下一代電池。

         

        普林斯頓大學發現隱藏缺陷 為電動汽車提供更好的固態電池

        (圖片來源:普林斯頓大學)

         

          在固態電池中,帶電粒子(離子)在固體材料中移動。而在傳統的鋰離子電池中,離子通過液體移動。根據這項新發現,雖然固態電池具有優勢,但固態材料中的局部變化或微小缺陷會導致電池磨損或短路。
         

          普林斯頓大學安德林格能源和環境中心(Andlinger Center for Energy and the Environment)的研究人員Kelsey Hatzell表示:“如果希望離子在空間中的每一點都以相同的速度移動,使用均勻一致的材料,具有重要意義。”
         

          研究人員利用阿貢國家實驗室(Argonne National Laboratory)的高科技工具,在電池實際充放電時檢測和跟蹤電池中的納米尺度材料變化。該研究團隊代表普林斯頓工程學院(Princeton Engineering)、范德比爾特大學(Vanderbilt)、阿貢國家實驗室和橡樹嶺國家實驗室(Oak Ridge National Lab),探討電池固態電解質中由晶體組成的顆粒。這是電池的核心部分,電荷通過固態電解質移動。
         

          電池將電能儲存在電極材料中,包括正極和負極。當電池釋放能量為車輛供電時,帶電粒子(離子)會穿過電池到達正極。固態或液態電解質是離子在正負極之間的移動路徑。沒有電解質,離子就無法在正負極之間移動并儲存能量。
         

          在固態電池中,電解質通常是陶瓷或致密的玻璃。采用固態電解質的固態電池,可以使用鋰金屬等能量密度更高的材料,并使電池更輕、更小。對于電動汽車等運輸應用來說,重量、體積和充電能力是關鍵因素。而且固態電池比其他類型的電池更安全,更不易著火。
         

          以前研究人員認為,固態電池的電解質容易發生退化,而且似乎是隨機性的退化。在本項研究中,研究人員則懷疑,固態電池的退化不是隨機的,而是由電解質中的晶體結構變化引起的。為了探索這一假設,研究人員利用阿貢實驗室的同步加速器,借助強大的X射線來觀察電池運行狀態。通過結合X射線成像和高能衍射技術,在埃尺度上研究石榴石電解質的晶體結構。因此,研究人員可以從晶體層面研究石榴石的變化。
         

          石榴石電解質由晶粒構建塊組成。單獨的電解質(直徑1mm)中幾乎有30,000個不同的晶粒。研究人員發現,在這30,000個晶粒中,主要有兩種結構安排,可以不同的速度移動離子。此外,Hatzell表示,這些不同的形式或結構“可能導致應力梯度,導致離子向不同的方向移動,或者使離子遠離電芯部分。”
         

          研究人員認為,帶電離子在電池中的移動,如同水順流而下,遇到巖石后則改變方向。有大量離子通過的區域往往壓力更高。Hatzell表示:“如果讓所有的離子通過一個區域,就會導致電池快速退化。為了構建能夠持續數千次充電循環的電池,需要控制離子在電解質中的移動位置和方式。”
         

          通過制造技術和添加少量不同的化學物質(稱為摻雜劑),可以控制晶粒的一致性,從而穩定電解質中的晶體形態。研究人員表示,“關于如何避免異質性,還有很多未經檢驗的假設。當然這具有挑戰性,但也不是不可能解決的。”

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