近日美國斯坦福大學進行的一項對鋰電池電極里微小粒子的行為研究顯示,對電池快速充電然后用于高功率快速耗電的工作對電池的損傷可能沒有研究人員預想的那么糟糕,而緩慢充電和耗電所帶來的益處可能也被過度夸大。這項研究結果挑戰了有關“超級充電”電池比緩慢充電對電極要求更高的盛行觀點,來自美國斯坦福大學和美國能源部SLAC國家加速器實驗室斯坦福大學材料與能源科學(SIMES)的研究人員這樣說道。他們還表示科學家們或可能可以改變電池電極或者改變充電方式以提升統一的充電和放電過程,從而延長電池壽命。
“在充電和放電過程中電極里發生的化學過程的細節只是確定電池壽命的眾多因素之一,但這一因素在這項研究之前都尚未被完全理解,” 研究高級作者、美國斯坦福大學材料科學和工程學院的助理教授、SIMES的闕宗仰(William Chueh)這樣說道。“我們發現了研究電池老化的新角度。”這些研究結果可以直接應用于很多現代商業鋰電池所使用的氧化物和石墨電極。
這項研究被發表在9月14日的期刊《自然材料》上。研究小組還包括來自美國麻省理工學院、美國Sandia國家實驗室、韓國三星尖端技術研究所和美國勞倫斯伯克利國家實驗室的研究合作者。
觀察電池片里的離子
電池損耗的一個重要原因便是在充電和放電過程中,正負電極在吸收和釋放電解質里的離子時自身的膨脹和收縮。在這項研究里科學家們研究了由幾十億個磷酸鐵鋰納米粒子組成的正電極,如果大多數或者全部離子都活躍參與充電和放電過程,那么它們會相對統一的吸收和釋放離子。但是如果只有少部分粒子吸收了所有離子,那么它們更可能破裂和損壞,減少電池的壽命。
有關納米粒子的特性和行為,與之前的研究產生了互相沖突的觀點。為了進一步調查真相,研究人員制造了小型硬幣電池,利用不同的電流對它們進行不同時長的充電,然后迅速將它們分離并沖洗組件從而阻止充電/放電過程。隨后科學家們將電極切成非常薄的片并將它們送至伯克利國家實驗室利用高級光源同步加速器的密集的X設線進行檢測。
快速放電的新見解
“我們一次可以研究上千個電極納米粒子并拍攝充電和放電過程中不同階段的快照,”研究首席作者、斯坦福大學的研究生李一洋(Yiyang Li)這樣說道。“這項研究是首項在不同充電和放電條件下對充放電過程進行的詳細全面調查。”
通過利用MIT研發的一個成熟模型分析數據,研究人員發現在充電過程中只有少部分納米粒子吸收和釋放離子,即使這個過程發生的非常迅速。但當電池放電時,有趣的事發生了:隨著放電速率增加超過一定的極限,越來越多粒子開始同步吸收離子,轉變成一個更加統一、損害較少的模式。這表明科學家們可能可以扭曲電極材料或者這個過程從而在保證較長電池壽命的前提下,或者更快的充電和放電速率。
據李表示,接下來一步便是在上百次甚至是上千次的循環里運行電池電極從而模擬真實世界的情況。科學家們希望能夠拍攝電池在充電和放電過程中的快照,而非中斷這個過程并將電池組件分離。這應該可以產生更加現實的見解,且這個過程可以在同步加速器里,例如ALS或者SLAC斯坦福同步加速器輻射光源里進行。李還表示目前研究小組正在與工業界密切合作,調查這些發現將如何應用于運輸和電子消費品領域。
這項研究得到了韓國三星尖端技術研究所全球創新拓展項目、斯坦福工程學院和普雷科特能源學院、三星-MIT能源應用的材料設計項目以及美國能源部的資金支持。
中新網昆明5月10日電(記者繆超)多年生茶園內棲息有近千種節肢動物,包括植食性害蟲、天敵昆蟲和蜘蛛等,其中刺吸式害蟲,如茶蚜嚴重損害茶葉的質量和產量。誘集植物作為一種替代植物,通過吸引目標害蟲或天敵,......
中新網上海5月10日電(記者陳靜)恐高(Fearofheights)是人們日常生活中廣泛存在的情緒反應,身處高處,人們會不由自主地手腳發軟、心跳過速、手冒冷汗。原因何在?記者10日獲悉,中國學者對先天......
為進一步加強鋰離子電池行業管理,促進行業高質量發展,工業和信息化部電子信息司對《鋰離子電池行業規范條件(2021年本)》《鋰離子電池行業規范公告管理辦法(2021年本)》進行修訂,形成《鋰電池行業規范......
中國科學技術大學中國科學院微觀磁共振重點實驗室杜江峰院士、榮星教授課題組與浙江大學焦曼研究員合作,利用固態自旋量子傳感器對兩種速度相關的新奇自旋相互作用在小尺度給出了當下最嚴格的實驗限定。該成果日前發......
向《科學》投稿兩個多月了,HamidM.Behzad仍沒有收到任何消息。正當他幾乎要放棄時,一天,其博士后合作導師、中國科學院亞熱帶農業生態研究所(以下簡稱亞熱帶生態所)研究員聶云鵬跑到辦公室,帶給他......
據工業和信息化部5月6日消息,為進一步提升電動自行車鋰離子蓄電池質量安全水平,促進行業安全健康發展,由工業和信息化部負責組織起草的《電動自行車用鋰離子蓄電池安全技術規范》(GB43854—2024,以......
在今日盛大開幕的CIBF2024中國國際電池展上,分析測試百科網編輯獲悉,丹東百特儀器有限公司(展位N1T011)推出一場專注于鋰電顆粒測試解決方案的直播活動。本次活動主題為“百特智能粒度儀,助力續航......
我國西南喀斯特地區石漠化治理與生態恢復成效顯著,但是該區人口壓力較大,經過幾十年保育恢復的生態系統仍面臨被再次開墾利用和土壤退化的風險。土地利用變化會對土壤微食物網產生強烈影響,以往研究通常采用時空替......
一個看似普通的背包,能夠實現為手機充滿電,不僅如此,歷經彎折、水洗、強紫外照射后它仍能穩定供電。復旦大學彭慧勝教授團隊的研究,讓曾經存在于科幻小說中的場景,成為現實。近日,復旦大學彭慧勝團隊在高性能纖......
中新網北京4月25日電(記者孫自法)國際著名學術期刊《自然》最新發表一篇醫學論文稱,研究人員在實驗室中培養出一個能真實再現結直腸癌發生的類器官模型。這一被形象稱為“迷你結腸”的細胞培養物,或能用于研究......