锂电池生命周期的最初阶段发生了什么?

楼主 | 收藏 | 举报 auto-testing   作者帖子   发消息   +加好友     2020-02-10 16:48   浏览:141   回复:0
来源:Astroys 
科学家们的这个发现或许将会推进锂电池技术的开发。

锂电池使用的头几个小时很大程度上决定了它的性能。在那些时刻,一组分子会自行组合成电池内部的一种结构,这种结构将在未来几年内影响电池。

对锂电池有一定知识基础的人可能会知道,这种结构被称为固体电解质间相或SEI(solide-electrolyte interphase),它的关键作用是在阻止某些颗粒的同时,允许其它颗粒通过。打个比方,就好像我们小区目前实施的出入管理一样,只有持有本小区通行证的人才能进入小区,外来人员一律不让进。对于在该领域研究了数十年的科学家而言,该结构一直是个谜。研究人员利用了各种技术试图来获得更多信息,但直到现在,他们还未在分子水平上目睹过它的形成。

锂电池生命周期的最初阶段发生了什么?

了解更多有关SEI的信息,这是开发出更具活力、寿命更长、更安全的锂电池的关键一步。

这项研究发表在1月27日的《自然纳米技术(Nature Nanotechnology)》杂志上,是由美国能源部西北太平洋国家实验室(PNNL)和美国陆军研究实验室的研究人员领导的一个国际科学家团队完成的。研究结果作者包括PNNL的Zihua Zhu、Chongmin Wang和Zhijie Xu,以及美国陆军研究实验室的Kang Xu。

为什么锂电池可以正常工作:SEI

SEI是非常薄的材料薄膜,在电池刚生产出来时并不存在。只有当电池第一次充电时,分子才会聚集并发生电化学反应形成这种结构,这种结构就像一个通道,允许锂离子在负极和正极之间来回流动。至关重要的是,SEI迫使电子绕行,从而使电池保持运行,并使能量存储成为可能。

正是因为有了SEI,我们才有了为手机、笔记本和电动车提供动力的锂电池。
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但科学家需要更多地了解这种网关(通道)结构。是哪些物质将锂电池中的不同物质分开的?电解质中需要包含什么化学物质,以及在什么浓度下这些分子才能形成最有用的SEI结构,从而使它们不会不停地从电解质中吸收分子,造成电池性能的损害?

科学家研究了各种成分,预测它们将如何结合起来形成最佳结构。但如果没有更多关于SEI是如何生成的知识,科学家们就会像厨师在有限食材之间来回变换一样,只能使用一种不完全的食谱。

用新技术探索锂电池
为了帮助科学家更好地了解SEI,该团队使用了PNNL的专利技术来分析结构的形成过程。科学家使用高能离子束将其隧穿到工作电池中刚形成的SEI中,将其中的一些物质发送到空气中并捕获它进行分析,同时依靠表面张力来帮助控制液体电解质。然后,研究小组使用质谱仪分析了SEI的成分。

这项被称为“原位液体二次离子质谱法”或“液体SIMS”的专利技术,使研究小组得以在SEI形成时对其进行前所未有的观察,并避免了锂电池工作时出现的问题。该技术是由Zhu领导的团队在PNNL的同事Xiao-Ying Yu之前的SIMS工作的基础上开发的。

他说:“我们的技术使我们对这种复杂结构中的分子活性有了扎实的科学认识。这些发现可能会帮助其他人调节电解质和电极的化学成分,从而制造出更好的电池。”

美国陆军和PNNL合作
PNNL的团队与美国陆军研究实验室研究员、电解质和SEI专家Kang Xu进行了合作,他们共同解决了这个问题。

科学家们证实了研究人员的猜测,即SEI是由两层组成的。但研究小组做了更深入的工作,详细说明了每一层的精确化学组成,并确定了电池中产生这种结构的化学步骤。

研究小组发现,靠近负极的一层结构薄而致密,这一层排斥电子但允许锂离子通过。紧邻电解质的外层较厚,可调节液体与SEI其余部分之间的相互作用。内层较硬,而外层则较易流动,有点像燕麦片在未煮熟和煮熟的状态之间的区别。

氟化锂的作用

该研究的结果之一是更好地了解了氟化锂在锂电池电解质中的作用。包括Kang Xu在内的数名研究人员已经证明,富含氟化锂的SEI的电池性能更好。研究小组展示了氟化锂是如何成为SEI内层的一部分,这些发现为如何在结构中加入更多的氟提供了线索。

Wang说:“通过这种技术,你不仅可以了解存在什么分子,还可以了解它们的结构。这就是这项技术的美妙之处。” 
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