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PNNL研究人員揭示電池首次充電時SEI的形成過程

時間:2020-03-12 10:10來源:蓋世汽車 作者:Elisha
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(圖源:PNNL官網(wǎng))
 
       據(jù)外媒報道,美國西北太平洋國家實驗室(PNNL)的科學(xué)家們,將一種特殊設(shè)計的鋰離子電池裝入二次離子質(zhì)譜儀中,在電池工作過程中,從分子級別觀察SEI的形成。
 
       在很大程度上,鋰離子電池初次使用的前幾個小時,決定了它的性能。因為在這段時間,一組分子會自行組合,構(gòu)成電池的內(nèi)部組成部分,即固體電解質(zhì)間相膜(SEI),并在未來幾年對電池產(chǎn)生影響。SEI膜的關(guān)鍵作用是,允許一部分粒子通過。進一步了解SEI膜,是制造更有活力、更持久和更安全的鋰離子電池的關(guān)鍵一步。但是,SEI膜的形成始終是個謎,研究人員嘗試過多種技術(shù),也末能從分子級別見證它的形成過程。
 
       SEI是一種非常薄的薄膜材料,在制造電池時并不存在。只有首次為電池充電時,分子才會聚集,并通過電化學(xué)反應(yīng)形成這種結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)如同通道,使鋰離子可以在正負極之間來回流動。最重要的是,SEI膜迫使電子繞道而行,使電池保持運轉(zhuǎn),并讓儲能成為可能。正是因為有了SEI,鋰離子電池才能為手機、筆記本電腦和電動汽車提供動力。科學(xué)家們利用各種原材料,想要制造出最好的SEI膜。但是,不了解SEI的產(chǎn)生過程,如同廚師只有食材,卻不懂烹飪。美國能源部西北太平洋國家實驗室(PNNL)和美國陸軍研究實驗室(US Army Research Laboratory)的研究人員,著手研究SEI膜是如何產(chǎn)生的。
 
       研究人員利用PNNL的專利技術(shù),將高能離子束穿入電池運行過程中剛剛形成的SEI膜,將一些材料發(fā)送到空中,并將其捕獲以進行分析,同時依靠表面張力幫助控制液體電解質(zhì)。然后,使用質(zhì)譜儀分析SEI材料。這項專利技術(shù)名為“原位液態(tài)二次離子質(zhì)譜法”(liquid SIMS),通過這項技術(shù),研究團隊得以對SEI的形成過程進行前所未有的觀察,解決鋰離子電池工作時出現(xiàn)的問題。PNNL研究團隊負責(zé)人 Zihua Zhu表示:“在這項技術(shù)的堅實基礎(chǔ)上,我們可以科學(xué)認(rèn)識這種復(fù)雜結(jié)構(gòu)中的分子活動。通過這些發(fā)現(xiàn),人們有望調(diào)整電解液和電極的化學(xué)成分,從而制造出更好的電池。”
 
       PNNL團隊聯(lián)手美國陸軍研究實驗室專家Kang Xu,共同解決問題。據(jù)證實,SEI是由兩層組成的。研究小組進一步精確了解每一層體的化學(xué)組成,并確定了電池中產(chǎn)生這種結(jié)構(gòu)的化學(xué)過程。他們發(fā)現(xiàn),靠近負極的層體結(jié)構(gòu)薄而致密,這一層排斥電子但允許鋰離子通過。外層更厚一些,就在電解液的旁邊,可以調(diào)節(jié)液體和SEI膜其余部分之間的相互作用。相比之下,內(nèi)層稍微硬一些,外層稍厚一些。
 
       本次研究結(jié)果有助于了解氟化鋰在鋰離子電池電解液中的作用。研究人員已經(jīng)證明,SEI膜的氟化鋰含量越多,電池性能越好。研究小組展示,氟化鋰如何成為SEI內(nèi)層的一部分,為如何在結(jié)構(gòu)中加入更多的氟提供幫助。Wang:“有了這項技術(shù),不僅可以了解分子的存在,還能了解它們的結(jié)構(gòu)。”
 
(責(zé)任編輯:子蕊)
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