新的成像技术显示智能手机电池如何在几分钟内收取费用

电池充电

研究人员开发了一种简单的基于实验室的技术,使他们能够在锂离子电池中看,并随着电池充电和放电,沿实时移动锂离子,直到现在。

利用这种低成本技术,研究人员发现了限制速度的过程,如果能够解决,大多数智能手机和笔记本电脑的电池可以在5分钟内充电。

来自剑桥大学的研究人员说,他们的技术不仅有助于改善现有的电池材料,而且可以加速下一代电池的开发,这是向无化石燃料世界过渡需要克服的最大技术障碍之一。研究结果发表在该杂志上大自然。

虽然锂离子电池具有不可否认的优势,比如相对于其他电池和储能手段而言,其能量密度较高、寿命长,但也会出现过热甚至爆炸,而且生产成本相对较高。此外,它们的能量密度远不及汽油。到目前为止,这使得它们不适合在两种主要的清洁技术中广泛使用:电动汽车和太阳能的电网规模存储。

来自剑桥卡文迪什实验室的合著者Christoph Schnedermann博士说:“更好的电池是能储存更多能量或充电更快的电池——理想情况下两者都能。”“但要用新材料制造更好的电池,并改进我们已经使用的电池,我们需要了解它们内部发生了什么。”

为了改善锂离子电池并帮助他们收取更快的费用,研究人员需要遵循并了解实际条件下的运作材料中发生的过程。目前,这需要复杂的同步X射线或电子显微镜技术,这是耗时和昂贵的。

“To really study what’s happening inside a battery, you essentially have to get the microscope to do two things at once: it needs to observe batteries charging and discharging over a period of several hours, but at the same time it needs to capture very fast processes happening inside the battery,” said first author Alice Merryweather, a PhD student at Cambridge’s Cavendish Laboratory.

剑桥大学的研究小组开发了一种光学显微镜技术,称为干涉散射显微镜来观察这些工作过程。使用这种技术,他们能够通过测量散射光的量来观察钴锂氧化物(通常被称为LCO)的单个粒子充放电。

他们能够看到LCO在充放电循环中经历一系列的相变。LCO粒子中的相边界随着锂离子的进出而移动和改变。研究人员发现,移动边界的机制取决于电池是在充电还是放电。

“我们发现,锂离子电池有不同的速度限制,具体取决于它是否充电或放电,”来自Caventish Raoveratory的Akshay Rao博士,他领导了研究。“充电时,速度取决于锂离子可以穿过活性材料颗粒的速度。放电时,速度取决于离子在边缘处插入的速度。如果我们可以控制这两种机制,它会使锂离子电池能够更快地充电。“

“鉴于锂离子电池已经使用了几十年,你认为我们知道关于他们的一切,但情况并非如此,”Schnedermann说。“这种技术让我们只看到它能够通过充电放电循环的速度速度。我们真正期待着使用该技术研究下一代电池材料 - 我们可以使用我们了解到LCO的新材料。“

“The technique is a quite general way of looking at ion dynamics in solid state materials, so you can use it on almost any type of battery material,” said Professor Clare Grey, from Cambridge’s Yusuf Hamied Department of Chemistry, who co-led the research.

该方法的高通量特性允许在整个电极上对许多粒子进行采样,进一步研究当电池失效时会发生什么以及如何预防。

施耐德曼说:“我们开发的这项基于实验室的技术为技术速度提供了巨大的改变,因此我们可以跟上电池内部快速运转的速度。”“事实上,我们可以实时看到这些相边界的变化,这真的很令人惊讶。这项技术可能是解决下一代电池开发难题的重要一环。”

参考文献:Alice J. Merryweather、Christoph Schnedermann、Quentin Jacquet、Clare P. Grey和Akshay Rao合著的《电池中单粒子离子动力学的操作性光学跟踪》,2021年6月23日,自然
DOI: 10.1038 / s41586 - 021 - 03584 - 2

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