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美国西北太平洋国家实验室研究人员揭示电池首次充电SEI的形成过程

发布时间:2020-03-12 00:43内容来源:网络整理 点击:


(图源:PNNL官网)

  据外媒报道,美国西北太平洋国家实验室(PNNL)的科学家们,将一种特殊设计的锂离子电池装入二次离子质谱仪中,在电池工作过程中,从分子级别观察SEI的形成。

  在很大程度上,锂离子电池初次使用的前几个小时,决定了它的性能。因为在这段时间,一组分子会自行组合,构成电池的内部组成部分,即固体电解质间相膜(SEI),并在未来几年对电池产生影响。SEI膜的关键作用是,允许一部分粒子通过。进一步了解SEI膜,是制造更有活力、更持久和更安全的锂离子电池的关键一步。但是,SEI膜的形成始终是个谜,研究人员尝试过多种技术,也末能从分子级别见证它的形成过程。

  SEI是一种非常薄的薄膜材料,在制造电池时并不存在。只有首次为电池充电时,分子才会聚集,并通过电化学反应形成这种结构。这种结构如同通道,使锂离子可以在正负极之间来回流动。最重要的是,SEI膜迫使电子绕道而行,使电池保持运转,并让储能成为可能。正是因为有了SEI,锂离子电池才能为手机、笔记本电脑和电动汽车提供动力。科学家们利用各种原材料,想要制造出最好的SEI膜。但是,不了解SEI的产生过程,如同厨师只有食材,却不懂烹饪。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(US Army Research Laboratory)的研究人员,着手研究SEI膜是如何产生的。

  研究人员利用PNNL的专利技术,将高能离子束穿入电池运行过程中刚刚形成的SEI膜,将一些材料发送到空中,并将其捕获以进行分析,同时依靠表面张力帮助控制液体电解质。然后,使用质谱仪分析SEI材料。这项专利技术名为“原位液态二次离子质谱法”(liquid SIMS),通过这项技术,研究团队得以对SEI的形成过程进行前所未有的观察,解决锂离子电池工作时出现的问题。PNNL研究团队负责人 Zihua Zhu表示:“在这项技术的坚实基础上,我们可以科学认识这种复杂结构中的分子活动。通过这些发现,人们有望调整电解液和电极的化学成分,从而制造出更好的电池。”

  PNNL团队联手美国陆军研究实验室专家Kang Xu,共同解决问题。据证实,SEI是由两层组成的。研究小组进一步精确了解每一层体的化学组成,并确定了电池中产生这种结构的化学过程。他们发现,靠近负极的层体结构薄而致密,这一层排斥电子但允许锂离子通过。外层更厚一些,就在电解液的旁边,可以调节液体和SEI膜其余部分之间的相互作用。相比之下,内层稍微硬一些,外层稍厚一些。

  本次研究结果有助于了解氟化锂在锂离子电池电解液中的作用。研究人员已经证明,SEI膜的氟化锂含量越多,电池性能越好。研究小组展示,氟化锂如何成为SEI内层的一部分,为如何在结构中加入更多的氟提供帮助。Wang:“有了这项技术,不仅可以了解分子的存在,还能了解它们的结构。”

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