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劍橋科學(xué)家找到了可同時(shí)對(duì)鋰離子運(yùn)動(dòng)進(jìn)行測(cè)量和成像的新方法

2021-06-25 11:29  來源:cnBeta.COM  瀏覽:  

通過更好地了解鋰電池工作的復(fù)雜性,科學(xué)家們可以找到改善其性能的方法。而來自劍橋大學(xué)的科學(xué)家們,剛剛開發(fā)出了一款強(qiáng)大的新工具。在昨日發(fā)表于《自然》雜志的研究論文中,其介紹了針對(duì)《電池中單粒離子動(dòng)力學(xué)的可操作光學(xué)追蹤》。這套新穎且低成本的顯微技術(shù),首次為我們揭示了鋰離子的微觀工作。


研究配圖 - 1:LCO 電極的電化學(xué)性能與干涉散射顯微鏡

研究團(tuán)隊(duì)希望此類觀察結(jié)果,有助于加速智能機(jī) / 電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的研發(fā),讓未來的我們可以用上只需極短的時(shí)間,即可完成充電的新型電池。

論文合著者、來自劍橋大學(xué)的 Christopher Schnedermann 博士表示:“優(yōu)質(zhì)電池?fù)碛懈叩哪芰棵芏取⒒蛘吒斓某潆娝俣龋诶硐氲那闆r下,我們希望兼而有之”。

研究配圖 - 2:電池運(yùn)行期間,活性例子的光學(xué)響應(yīng)。


不過在使用新材料打造更好用的電池之前,我們需要對(duì)現(xiàn)有的電池加以改進(jìn),并深入了解其內(nèi)部到底發(fā)生了什么。

尷尬的是,目前只有使用昂貴、復(fù)雜的設(shè)備,才能達(dá)到這一目的 —— 比如動(dòng)用電子顯微鏡、或者極其強(qiáng)大的同步加速 X 射線機(jī)(其強(qiáng)度是典型 X 射線機(jī)的數(shù)十萬倍)。

 

研究配圖 - 3:脫鋰 / 鋰化時(shí)的雙相相變行為


研究一作 Alice Merryweather 解釋稱,對(duì)于科學(xué)家們來說,想要研究鋰電池在現(xiàn)實(shí)世界條件下真實(shí)發(fā)生的內(nèi)部過程,那樣也算不上是一種切實(shí)可行的方法。

“基本上,你必須讓顯微鏡同時(shí)做兩件事 —— 除了觀察電池在數(shù)小時(shí)內(nèi)的充放電,還需要非常迅速地捕捉電池內(nèi)部發(fā)生的過程”。

 

研究配圖 - 4:施加各種電流密度下的雙相相變行為


為取得突破,劍橋大學(xué)科學(xué)家們利用了一種被稱作干涉散射顯微鏡的成像技術(shù)。通過分析參考光束與散射光的相互作用,即可對(duì)微小物體進(jìn)行同步測(cè)量和成像。

基于此,研究團(tuán)隊(duì)得以實(shí)時(shí)對(duì)鈷酸鋰電極內(nèi)的單個(gè)粒子進(jìn)行成像,并且揭示了一些有趣的行為。比如在充放電過程中,鋰離子在進(jìn)出時(shí)發(fā)生相變的顆粒邊界(這點(diǎn)與設(shè)備的充電率有很大關(guān)系)。

 

研究配圖 - 5:Li0.5CoO2 組成的單斜畸變動(dòng)力學(xué)(有無形成域的對(duì)比)


通過簡(jiǎn)單地觀察這種機(jī)制,并設(shè)法對(duì)相關(guān)過程進(jìn)行操縱,也是我們向著提升電池性能而邁出的重要一步。帶領(lǐng)這項(xiàng)研究的 Akshay Rao 博士稱:

“我們發(fā)現(xiàn)鋰離子電池有不同的速度限制,且這取決于它是在充電還是放電。比如在充電過程中,其速率取決于鋰離子通過活性材料顆粒的速度。而在放電時(shí),它又取決于例子在邊緣進(jìn)入的速度”。

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