什么导致电池性能衰减?华人科学家发《Science》给出回答:取决于你充了多少次!

2022-05-16 07:53:22 浙江 高分子科学前沿
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研究表明,可充电锂离子电池在经过一定次数的充放电循环后,最终都逃不过走向失效的结局。因此研究人员不断地寻找延迟电池寿命的设计方法。

有鉴于此,弗吉尼亚理工林锋教授、普渡大学赵克杰教授以及SLAC国家加速器实验室刘宜晋研究员等人发现电池衰减的影响因素实际上是随时间变化的早期,衰减似乎是由单个电极粒子的特性驱动的,但经过几十次充电循环后,这些粒子是如何组装在一起才更重要。要想建造更好的电池,就需要看看如何将颗粒放在一起。这项研究以“Dynamics of particle network in composite battery cathodes”为题发表在著名期刊Science上。

【木见成林】

这项研究是在以往研究的基础上进行的,作者利用计算机视觉技术,研究构成可充电电池电极的个体粒子如何随着时间的推移而分裂。这一次的目标不仅仅是研究单个粒子,而是研究它们共同作用延长或降解电池寿命的方法。作者生动的将这个问题比喻成小组工作的人。电池粒子就像人一样,每个人都开始走自己的路,但最终我们遇到了别人,最终我们成群结队,朝着同一个方向前进。即峰值效率既需要研究粒子的个体行为,也需要研究粒子在群体中的行为。为了探索这一想法,作者用X射线研究电池正极。他们用X射线断层扫描重建阴极经过10或50次充电循环后的三维图像。将这些3D图片切割成一系列2D切片,用计算机视觉方法识别颗粒。

图1 使用纳米全层析成像技术用多层NMC颗粒成像阴极电极

图2 电池电极中的异质颗粒损伤

【电池的寿命】

作者识别了2000多个个体粒子,为此他们不仅计算了个体粒子特征如尺寸、形状和表面粗糙度等,还计算了更多的全局特征,如粒子之间有多频繁地直接接触、粒子形状的多样性。他们考察了这些性质中的每一种是如何促成粒子的击穿的,并且观察到了一个引人注目的模式。10次充电循环后,影响最大的因素是个别颗粒的性质,包括颗粒的球形度、颗粒体积与表面积的比值。然而,经过50次循环后,成对和成组属性驱动粒子击穿。如两个粒子相距多远、形状变化多大、是否更细长,足球状粒子取向相似。这一实验结果证明了粒子-粒子相互作用对电池寿命具有至关重要的影响,这也意味着制造商可以开发技术来控制这些性能。例如,它们可能可以利用磁场或电场使被拉长的粒子相互对准,新的实验结果暗示这将导致更长的电池寿命。这一结果可以超越目前研究的细节而应用,这项研究确实有助于长循环寿命电池电极的设计和制造。这对于研发下一代长寿命、低成本和快速充电的电池上具有重要意义。

图3 NMC阴极电化学活性和机械损伤的有限元分析

图4 用于粒子属性建模的可解释机器学习框架

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文献链接:

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm8962

来源:高分子科学前沿

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