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减少电池“交通拥挤”,提升电池使用性能
时间:2018-01-04 10:09:15来源:材料科技在线
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提要:桑迪亚国家实验室研究发现,在小型电子产品中提高固态锂离子电池性能的主要障碍是,锂离子在电池界面上的流动性。
减少电池“交通拥挤”,提升电池使用性能

上图所示为桑迪亚国家实验室的研究人员Forrest Gittleson(左)和Farid El Gabaly(右)研究了固态电池的纳米级结构,重点研究电极和电解质接触区域。图片来源:桑迪亚的三年实验室

桑迪亚国家实验室研究发现,在小型电子产品中提高固态锂离子电池性能的主要障碍是,锂离子在电池界面上的流动性。

该实验室的定向研究与开发项目研究了固态电池的纳米级化学反应过程,重点是电极和电解质接触的区域。大多数商用锂离子电池含有液体电解质和两个固体电极,但是固态电池具有固体电解质层,使得它们有可以持续更长时间并且更安全地充放电过程。

桑迪亚国家实验室物理学家Farid El Gabaly说:“这项工作的基本目标是使固态电池更有效率,并改善不同材料之间的界面反应。在这个项目中,所有的材料都是固体,都没有像传统锂离子电池那样的液固界面。”

该研究结果现已发表在Nano Letters杂志上,文章的标题为“非法拉第锂离子电池界面的物质迁移和化学协调”。

这一文章的作者是桑迪亚国家实验室博士后科学家Forrest Gittleson和El Gabaly,这项工作由定向研究与开发项目和能源部科学办公室提供资金。

El Gabaly解释说,在任何锂电池中,锂在充电和放电时必须从一个电极到另一个电极来回移动。然而,锂离子在不同材料中的流动性并不相同,材料之间的界面是其主要障碍。

El Gabaly比较了不同的材料,以确定锂离子是如何快速移动的。他说:“对于我们来说,我们正试图减少两种材料交界处的交通堵塞。”

El Gabaly将电极-电解质界面比作高速公路上的收费站。他说道:“我们基本上是先收费,然后允许每个人通过快速通道,这样你就可以平稳不减速的通过。当改进界面上流动方式时,即使你有适合车辆通行的基础设施,你仍然需要付钱,但是比在手套箱里搜索硬币的人更快,更受控制。”

他解释说,在固态电池中有两个重要的连接界面,分别是阴极-电解质连接处和电解质-阳极连接处。它们任何一个都可以决定整个电池的性能极限。

Gittleson补充说道:“当我们确定其中的一个连接界面的性能瓶颈时,我们会问,我们可以再改进它吗?然后我们不断尝试改变界面,最终使化学化学反应过程更加稳定。”

El Gabaly说,桑迪亚实验室对此项研究感兴趣主要原因是固态电池的维护费用低,安全可靠。液体电解质通常具有反应性、挥发性和高度易燃性,并且是商业电池故障的主要原因。消除液体组分可以使这些装置性能更好。

El Gabaly说道:“我们研究的关注点并不是想在电动汽车里的大电池,而是一些小电子元件的电池。”

由于桑迪亚实验室之前并没有进行过固态电池研究,这一项目首先为电池原型和接口检测奠定了基础。

Gittleson说:“这种表征是不可忽略的,因为我们感兴趣的界面只有几个原子层厚。我们使用X射线来探测那些界面下的化学性质,一般只能看到几纳米的材料。尽管设计实验具有挑战性,但我们已经成功地探测了这些区域,并将化学性能与完整的电池性能联系起来。”

另外,这项研究是使用的是以前在概念验证型固态电池中使用的材料。

El Gabaly说:“由于这些材料不是以大规模的商业规模生产的,我们需要能够在现场制造完整材料的器件。实验中,我们尝试了各种方法改变界面或改变材料来改进电池的性能。”

这项工作使用了脉冲激光沉积和X射线光电子能谱结合电化学技术。因为电池很薄并且集成在硅晶片上,因此只允许非常小规模的沉积。

Gittleson说:“使用这种方法,我们可以将界面设计到纳米级甚至亚纳米级。”他补充说道,实验室现在已经创建了数百个样品。由于材料组装的可控性,以这种方式构建电池使得研究人员能够准确地了解材料连接界面的外观。

另外,下一阶段的主要研究内容是提高电池的性能,并且与其他桑迪亚实验室的技术相结合进行研究。

El Gabaly说:“我们现在已经可以将我们的电池与LED、传感器、小型天线或任何数量的集成设备结合起来。尽管我们对电池的性能感到满意,但我们仍会不断前行,不断改善它。”

文章来自pleasantonweekly,原文题目为Reducing the traffic jam in batteries,由材料科技在线汇总整理。

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