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科学家利用“分子眼”观测电池 提高电池性能

发布时间:2020-03-06 01:09内容来源:网络整理 点击:


(图源:美国陆军研究实验室官网)

  通过分子眼技术,科学家们可以更确切地了解电池内部的运行原理,找出它们容易着火的原因。据外媒报道,美国陆军作战能力发展指挥部陆军研究实验室(U.S. Army Combat Capabilities Development Command's Army Research Laboratory)与美国能源部太平洋西北国家实验室(the U.S. Department of Energy's Pacific Northwest National Laboratory)的研究人员,探讨电池两个关键部分接触时如何发生化学反应,并形成电池中的关键部分,俗称固体电解质界面膜(SEI)。

  研究人员表示,了解电池SEI的化学性质和形成机制,对以后更好地开发优质电池起到关键作用。新研究利用分子眼技术,绘制出SEI化学和结构动态图。陆军科学家Oleg Borodin博士表示,这些属性会影响电池的充放电速率,尤其是在低温、安全和循环寿命方面。

  该研究项目的首席研究员Dr. Kang Xu说:“SEI对电池性能至关重要,但很难对其进行具体表征。它们决定电池的充电速度,以提高运行性能,并防止电池运行时,突然速度放缓或产生故障。然而,如同暗物质一样,每个人都知道它们的存在,却不清楚它们的工作原理。”

  环境分子科学实验室(the Environmental Molecular Sciences Laboratory)和太平洋西北国家实验室的科学家,开发了原位液体二次离子质谱分析技术。他们与陆军科学家合作,利用这一技术,在电池首小时充电时,从分子水平上研究电极-电解质界面化学工作原理。通过监测SEI的形成及其化学变化,绘制所发生的化学反应图,并结合分子动力学模拟方法,他们的工作揭示了一些以前只能推测的东西。

  在电池充电初期,电极/电解质界面会形成电双层。这种双层结构导致SEI的微结构和化学差异,并最终决定电池性能。从分子水平上了解这种界面,可以为更好地设计电池提供有力指导。研究人员发现,初始充电期间,在任何相间化学反应发生之前,由于溶剂分子自组合,电极/电解质界面上会形成双电层。这是受锂离子和电极表面电位的影响。这一双层结构预测最终的相间化学,特别是带负电荷的电极表面,排斥来自内层的盐阴离子,从而在内部产生薄且致密的无机SEI。正是这一致密层负责传导Li +和绝缘电子,这是SEI的主要功能。内层形成后,出现电解质可渗透且富含有机物的外层。在高浓度富氟电解质存在的情况下,由于双层中存在阴离子,SEI内层的LiF浓度较高。此类实时纳米级观测,将有助于为未来的电池设计更好的界面。

  2017年,陆军研究人员与马里兰大学(University of Maryland)合作,首次研发出一种锂离子电池,该电池以水盐溶液为电解质,达到了家用电子产品所需的4.0V电压,如笔记本电脑等,而且不会像某些商用非水锂离子电池一样,存在火灾和爆炸风险。该团队发明的水性电池与大多数商用电池都不同。了解SEI可以逐步改进当前技术,作为许多陆军应用的直接解决方案。(作者:Elisha)

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