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未來幾十年,可能需要根據具體用途來定制電池

姚小熊27 ? 來源:蓋世汽車 ? 作者:蓋世汽車 ? 2020-12-11 10:41 ? 次閱讀

未來出行交通工具主要包括電動汽車、卡車和飛機等,但單一電池設計顯然無法滿足復雜的需求。未來幾十年,可能需要根據具體用途來定制電池,因此要盡可能準確地了解各類電池的內部狀態。

每種電池的工作原理都相同,即由離子(也就是帶電荷的原子或分子)通過電解液將電流從負極傳送到正極,然后再返回來。通過準確了解不同的離子如何在不同類型電解液中移動,研究人員可以找到改變這種傳送方式的方法,從而創造出以最適合特定用途的方式進行充放電的電池。

據外媒報道,在一項突破性發現中,科學家們結合多種技術,來精確測量在電池中移動的離子。研究人員利用阿貢國家實驗室的先進光子源(APS),不僅可以在電池運行時觀察其內部狀態,并實時測量反應進程,同時也為使用不同類型電池進行類似實驗打開了大門。

研究人員與聯合儲能研究中心(JCESR)合作得出這一結果,詳細描述鋰離子通過聚合物電解質的速度。主要研究人員、德國帕德伯恩大學(Paderborn University)教授Hans-Georg Steinrück表示:“通過結合不同的實驗方法來測量速度和濃度,并將其與理論數據進行比較,我們已證明其可能性,現在我們將在其他性質不同的系統上進行測量。”

這些測量是在APS的8-ID-I光束線上進行的,包括使用超亮X射線測量離子通過電池的速度,并在模型電池放電時,測量電解液中的離子濃度。研究小組隨后將所得到的結果與數學模型進行比較,并得到一個極為精準的數字,即離子導電率(代表離子攜帶的電流)。

從本質上來說,離子導電率(transport number)是帶正電的離子攜帶的電流相對于總電流的量。研究小組通過計算得出的這個數字大約為0.2。研究人員表示,這種測量離子運動的新方法十分敏感,因此所得出的結論與其他方法不同。科羅拉多大學博爾德分校(University Of Colorado Boulder)的Michael Toney教授表示:“傳統方法是通過分析電流來測量離子導電率。然而,目前還不清楚這些電流中有多少是通過鋰離子產生,有多少是由你在分析中不想要的其他因素造成的。原理很簡單,但我們必須進行準確測量。這是真正的概念驗證項目。”

在這項實驗中,研究小組使用的是固體聚合物電解質,而不是鋰離子電池中廣泛使用的液體電解質。這是因為聚合物不易燃,更加安全。研究人員之一Venkat Srinivasan表示,以往研究電池內部工作原理時,最好的方法是向電池發送電流,然后進行分析。現在,科學家們可以通過實時跟蹤離子運動,找到改變運動狀態的機會,以滿足電池設計需求。他說:“以前我們必須把這些點連接起來,現在我們可以直接、清晰地探測離子。”

阿貢X射線科學部門的物理學家Eric Dufresne表示,在這項實驗中,研究團隊利用APS提供的關聯性,可以獲得速度僅為每秒納米的結果。“這是一項非常徹底和復雜的研究,以新穎的方式結合X射線技術,既是這方面的一個很好的例證,也是向開發未來應用邁出的一步。”

Dufresne及其同事指出,只有APS對其電子存儲環進行升級時,才能更好地進行實驗,使其產生的X射線的亮度增加500倍。Dufresne表示:“通過APS升級,我們可以推進動態研究進程,使其達到比微秒更好的水平。我們將聚焦光束,對更厚的材料進行更細微的測量。升級將賦予我們獨特的能力,使我們能進行更多類似實驗。”

研究團隊表示,下一步將分析更復雜的聚合物和其他材料,并最終轉向研究液體電解質。Toney希望探討其他類型材料的離子,比如鈣和鋅。對于實現針對具體用途設計電池的最終目標來說,測試各種材料具有重要意義。Srinivasan表示:“如果我們想要制造高能、快速、安全和持久的電池,就需要更多地了解離子運動,以及電池內部的情況,并利用這些知識設計新材料。”
責任編輯:YYX

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