3D 电池成像揭示了锂金属电池的秘密实时寿命

富有创新精神的电池研究人员破解了代码,可以在锂金属电池循环过程中创建实时 3D 图像。瑞典查尔姆斯理工大学的一个团队成功地观察了电池中锂金属在充电和放电时的行为。

电池研究人员长期以来一直想研究工作锂金属电池中的锂金属。现在,Chalmers 的研究人员已经开发出一种方法来跟踪电池中的锂在循环过程中的行为。通过专门设计的电池和 X 射线断层扫描显微镜,研究人员可以实时观察电池的 3D 内部工作情况。这种新方法可能有助于为我们未来的汽车和设备提供更高容量和更高安全性的电池图片来源:查尔姆斯理工大学

这种新方法可能有助于为我们未来的汽车和设备提供更高容量和更高安全性的电池。

“我们打开了一个新窗口,以便了解——并从长远来看优化——未来的锂金属电池。当我们能够准确研究循环过程中电池中的锂发生了什么时,我们就获得了影响其内部工作的重要知识,”查默斯大学物理系教授兼最近发表的科学研究负责人亚历山大·马蒂奇 (Aleksandar Matic) 说在《自然通讯》中。

人们寄予厚望,新的电池概念,例如锂金属电池,将能够取代当今的锂离子电池。我们的目标是开发能量密度更高、更安全的电池,使我们能够以更低的成本在经济和环境方面走得更远。固态电池、锂硫电池和锂氧电池被认为是有前途的替代品。所有这些概念都建立在电池阳极由锂金属而不是当今电池中的石墨组成的想法之上。没有石墨,电池将更轻,而以锂金属为负极,也将有可能使用高容量正极材料。这使得实现三到五倍的能量密度成为可能。

锂形成不需要的微观结构

然而,锂金属电池有一个关键问题:当电池充电或放电时,锂并不总是像它应该的那样平坦和光滑地沉积。通常,它会形成苔藓状的微观结构或树枝状结构,长针状结构,并且部分沉积的锂会变得孤立,然后失去活性。树突也有到达另一个电池电极并导致短路的风险。因此,了解这些结构何时、如何以及为何形成至关重要。

“为了能够在下一代电池中使用这项技术,我们需要了解电池如何受到电流密度、电解质选择和循环次数等因素的影响。现在我们有了这样做的工具,”这项新研究的主要作者、Chalmers 研究员 Matthew Sadd 和他的同事熊士钊说。

兴奋地等待第一眼

观察工作电池中锂微结构形成的实验是在瑞士苏黎世郊外的瑞士光源进行的。在令人屏息的期待中,研究人员准备了一个专门设计的电池,以使用 X 射线断层扫描显微镜实时和 3D 研究锂何时沉积。尽管许多研究人员都想在工作电池中研究锂金属,但据该团队所知,没有人能够做到这一点。如果他们成功了,与在细胞循环后分析图像相比,这将是向前迈出的重要一步。

“当我们亲眼看到它在第一次尝试中奏效时,这真是太神奇了,”马蒂奇说。 “当我们观察到锂形成巨大的结构时,比如巨大的针头,这几乎就像是在进行登月项目。长期以来,我们一直想实时观察电池的内部工作情况。现在我们可以了。”

大规模使用的关键拼图

现在,研究团队的目标是在其他电池概念上测试该技术,希望必要的成像技术能在离家更近的地方获得,例如在瑞典 MAX IV 实验室,一个国家高级 X 射线实验研究机构。

“我们期待开发这种方法,以更高分辨率进行更快的测量,以查看沉积过程早期形成的更详细的微观结构,”Matic 说。 “这是能够大规模使用锂金属电池并确保其安全的关键部分。许多研究团队和公司正在为他们未来的原型研究锂金属概念。”

有关研究的更多信息

  • 文章“Investigating microstructure evolution of lithium metal during plating and stripping via operando X-ray tomographic microscopy”发表在Nature Communications上,作者是 Matthew Sadd、Shizhao Xiong、Jacob R. Bowen、Federica Marone 和 Aleksandar Matic。研究人员在瑞典查默斯理工大学、丹麦 Xnovo Technology ApS 和瑞士 Swiss Light Source 的 Paul Scherrer 研究所工作。
  • 该研究由 Vinnova、BASE 卓越中心和 Chalmers 的能源推进领域资助。
  • 与国际同事合作,Chalmers 的 Aleksandar Matic 研究团队发表了多项关于锂金属电池充电和放电时锂分布的结果,例如“Insight Into The Critical Role of Exchange Current Density on Electrodeposition Behavior of Lithium Metal” Advanced ScienceAdvanced Energy Materials 中的“电极表面锂离子耗尽的作用:锂金属阳极电沉积行为的潜在机制”。

有关当今和下一代电池的更多信息

  • 在寻找下一代能量密集型、资源节约型电池的过程中,锂金属电池是有前途的概念之一。希望这种新型电池能够取代当今的锂离子电池,尤其是在各种类型的电动汽车中。我们的目标是开发能量密集、安全的电池,使我们能够以更低的成本在经济和环境方面走得更远。
  • 在锂离子电池中,锂储存在石墨中,石墨本身对活性没有贡献。在锂金属电池中,石墨被锂金属取代,使电池的能量密度更高。以锂金属为负极,也可以使用高容量的正极材料。这可以使电池的能量密度是当今电池的三到五倍。
  • 固态电池、锂硫电池和锂氧电池是有前途的下一代电池概念的三个例子。所有这些都需要阳极侧的锂金属与阴极的容量相匹配,并最大限度地提高电池的能量密度。
  • 到目前为止,研究人员推测下一代电池的突破还需要大约十年时间。
  • 在查尔姆斯理工大学,许多与电池相关的项目正在进行研究,研究人员参与了国内和国际合作,例如瑞典 BASE 卓越中心和主要的欧洲 2030+ BIGMAP 项目。

查尔姆斯理工大学通过Newswise

特色图片由麻省理工学院提供。

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来源:CleanTechnic

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