據(jù)外媒報道,密歇根大學(xué)(University of Michigan)研究表明,鋰離子
電池正極上的裂紋不是完全有害的,而是可能加快
電池的充電速度。
(圖片來源:密歇根大學(xué))
許多電動汽車制造商的觀點與此不同,通常會盡量減少裂紋,以免縮短電池的使用壽命。密歇根大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)助理教授Yiyang Li表示:“許多公司希望使用不會破裂的顆粒來制造‘百萬英里’電池。然而,如果去除裂紋,就不會有這些裂紋帶來的額外表面積,電池顆粒將無法快速充電。在旅行時,用戶并不希望等待5個小時來給汽車充電,而是希望在15或30分鐘內(nèi)充滿電。”
該團(tuán)隊認(rèn)為,這一發(fā)現(xiàn)適用于一半以上的電動汽車電池,其中這些電池的正極由數(shù)萬億個由鋰鎳錳鈷氧化物或鋰鎳鈷鋁氧化物制成的微顆粒組成。
理論上來說,正極電荷的速度取決于顆粒的表面積與體積之比。小顆粒比大顆粒的充電速度更快,因為它們相對于體積有更高的表面積,從而縮短其中鋰離子的擴(kuò)散距離。然而,傳統(tǒng)方法無法直接測量單個正極顆粒的充電特性,只能測量構(gòu)成電池正極的所有顆粒的平均值。這意味著以往對充電速度和正極顆粒大小之間關(guān)系的認(rèn)識,僅僅是一種假設(shè)。
密歇根大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)博士生Jinhong Min表示:“研究發(fā)現(xiàn)正極顆粒破裂后,具有更多的活性表面來吸收鋰離子,不僅在顆粒外表面,而且在裂紋內(nèi)部。研究人員已經(jīng)知道顆粒會發(fā)生破裂,但尚未測量破裂狀態(tài)如何影響充電速度。”
了解正極裂紋的優(yōu)點,關(guān)鍵在于測量單個正極顆粒的充電速度。為了做到這一點,研究人員將這些顆粒插入神經(jīng)科學(xué)家常用來研究單個腦細(xì)胞如何傳輸電信號的裝置。Li表示:“一位研究神經(jīng)科學(xué)的同事曾向我展示用來研究單個神經(jīng)元的陣列。我想知道,我們是否也可以用它們來研究電池顆粒,因為顆粒大小與神經(jīng)元相似。”
每個陣列都是定制設(shè)計的2 x 2厘米芯片,具有多達(dá)100個微電極。在芯片中心布散一些正極顆粒,然后,研究人員使用比人類頭發(fā)絲細(xì)約70倍的針,將單個顆粒移到陣列上各自的電極上。當(dāng)顆粒就位后,研究人員可以在陣列上同時對最多4個單獨的顆粒進(jìn)行充放電。在這項特定的研究中,研究人員測量了21個顆粒。
實驗表明,正極顆粒的充電速度并不取決于其大小。研究人員認(rèn)為,這極有可能是因為較大的顆粒在破裂時,實際上表現(xiàn)得像較小顆粒的集合。另一種可能性是,鋰離子在晶界(構(gòu)成正極顆粒的納米級晶體之間的微小空間)中移動得非�?臁5�,Li認(rèn)為這不太可能,除非電池的電解質(zhì)穿透這些邊界,形成裂縫。
研究人員在設(shè)計具有不破裂單晶顆粒的長壽命電池時,必須考慮破裂材料的優(yōu)點。為了實現(xiàn)快速充電,這些顆�?赡芤∮诂F(xiàn)在的正極破裂顆粒。Li表示,另一種選擇是用不同的材料來制造單晶正極,從而更快地移動鋰。但是,這些材料可能能量密度較低,或者其中必要的金屬供應(yīng)有限。
(責(zé)任編輯:子蕊)
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