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科學(xué)家探討如何跟蹤電池內(nèi)部狀態(tài) 以開發(fā)特定用途電池
時間:2020-12-11 10:45來源:蓋世汽車 作者:Elisha
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（圖片來源：techxplore）
未來出行交通工具主要包括電動汽車、卡車和飛機(jī)等，但單一電池設(shè)計顯然無法滿足復(fù)雜的需求。未來幾十年，可能需要根據(jù)具體用途來定制電池，因此要盡可能準(zhǔn)確地了解各類電池的內(nèi)部狀態(tài)。
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(fù)極傳送到正極，然后再返回來。通過準(zhǔn)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(chuàng)造出以最適合特定用途的方式進(jìn)行充放電的電池。
據(jù)外媒報道，在一項突破性發(fā)現(xiàn)中，科學(xué)家們結(jié)合多種技術(shù)，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(jìn)光子源(APS），不僅可以在電池運行時觀察其內(nèi)部狀態(tài)，并實時測量反應(yīng)進(jìn)程，同時也為使用不同類型電池進(jìn)行類似實驗打開了大門。
研究人員與聯(lián)合儲能研究中心(JCESR)合作得出這一結(jié)果，詳細(xì)描述鋰離子通過聚合物電解質(zhì)的速度。主要研究人員、德國帕德伯恩大學(xué)（Paderborn University）教授Hans-Georg Steinrück表示：“通過結(jié)合不同的實驗方法來測量速度和濃度，并將其與理論數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，我們已證明其可能性，現(xiàn)在我們將在其他性質(zhì)不同的系統(tǒng)上進(jìn)行測量。”
這些測量是在APS的8-ID-I光束線上進(jìn)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(jié)果與數(shù)學(xué)模型進(jìn)行比較，并得到一個極為精準(zhǔn)的數(shù)字，即離子導(dǎo)電率（代表離子攜帶的電流）。
從本質(zhì)上來說，離子導(dǎo)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(shù)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(jié)論與其他方法不同。科羅拉多大學(xué)博爾德分校(University Of Colorado Boulder)的Michael Toney教授表示：“傳統(tǒng)方法是通過分析電流來測量離子導(dǎo)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(chǎn)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(jìn)行準(zhǔn)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(zhì)，而不是鋰離子電池中廣泛使用的液體電解質(zhì)。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(nèi)部工作原理時，最好的方法是向電池發(fā)送電流，然后進(jìn)行分析。現(xiàn)在，科學(xué)家們可以通過實時跟蹤離子運動，找到改變運動狀態(tài)的機(jī)會，以滿足電池設(shè)計需求。他說：“以前我們必須把這些點連接起來，現(xiàn)在我們可以直接、清晰地探測離子。”
阿貢X射線科學(xué)部門的物理學(xué)家Eric Dufresne表示，在這項實驗中，研究團(tuán)隊利用APS提供的關(guān)聯(lián)性，可以獲得速度僅為每秒納米的結(jié)果。“這是一項非常徹底和復(fù)雜的研究，以新穎的方式結(jié)合X射線技術(shù)，既是這方面的一個很好的例證，也是向開發(fā)未來應(yīng)用邁出的一步。”
Dufresne及其同事指出，只有APS對其電子存儲環(huán)進(jìn)行升級時，才能更好地進(jìn)行實驗，使其產(chǎn)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(jìn)動態(tài)研究進(jìn)程，使其達(dá)到比微秒更好的水平。我們將聚焦光束，對更厚的材料進(jìn)行更細(xì)微的測量。升級將賦予我們獨特的能力，使我們能進(jìn)行更多類似實驗。”
研究團(tuán)隊表示，下一步將分析更復(fù)雜的聚合物和其他材料，并最終轉(zhuǎn)向研究液體電解質(zhì)。Toney希望探討其他類型材料的離子，比如鈣和鋅。對于實現(xiàn)針對具體用途設(shè)計電池的最終目標(biāo)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(nèi)部的情況，并利用這些知識設(shè)計新材料。”
(責(zé)任編輯：子蕊)
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