科学家探讨如何跟踪电池内部状态 以开发特定用途电池

汽车 2021-02-04 19:54:26

未来出行交通工具主要包括电动汽车、卡车和飞机等,但单一电池设计显然无法满足复杂的需求。未来几十年,可能需要根据具体用途来定制电池,因此要尽可能准确地了解各类电池的内部状态。

每种电池的工作原理都相同,即由离子(也就是带电荷的原子或分子)通过电解液将电流从负极传送到正极,然后再返回来。通过准确了解不同的离子如何在不同类型电解液中移动,研究人员可以找到改变这种传送方式的方法,从而创造出以最适合特定用途的方式进行充放电的电池。

据外媒报道,在一项突破性发现中,科学家们结合多种技术,来精确测量在电池中移动的离子。研究人员利用阿贡国家实验室的先进光子源(APS),不仅可以在电池运行时观察其内部状态,并实时测量反应进程,同时也为使用不同类型电池进行类似实验打开了大门。

研究人员与联合储能研究中心(JCESR)合作得出这一结果,详细描述锂离子通过聚合物电解质的速度。主要研究人员、德国帕德伯恩大学(Paderborn University)教授Hans-Georg Steinrück表示:“通过结合不同的实验方法来测量速度和浓度,并将其与理论数据进行比较,我们已证明其可能性,现在我们将在其他性质不同的系统上进行测量。”

这些测量是在APS的8-ID-I光束线上进行的,包括使用超亮X射线测量离子通过电池的速度,并在模型电池放电时,测量电解液中的离子浓度。研究小组随后将所得到的结果与数学模型进行比较,并得到一个极为精准的数字,即离子导电率(代表离子携带的电流)。

从本质上来说,离子导电率(transport number)是带正电的离子携带的电流相对于总电流的量。研究小组通过计算得出的这个数字大约为0.2。研究人员表示,这种测量离子运动的新方法十分敏感,因此所得出的结论与其他方法不同。科罗拉多大学博尔德分校(University Of Colorado Boulder)的Michael Toney教授表示:“传统方法是通过分析电流来测量离子导电率。然而,目前还不清楚这些电流中有多少是通过锂离子产生,有多少是由你在分析中不想要的其他因素造成的。原理很简单,但我们必须进行准确测量。这是真正的概念验证项目。”

在这项实验中,研究小组使用的是固体聚合物电解质,而不是锂离子电池中广泛使用的液体电解质。这是因为聚合物不易燃,更加安全。研究人员之一Venkat Srinivasan表示,以往研究电池内部工作原理时,最好的方法是向电池发送电流,然后进行分析。现在,科学家们可以通过实时跟踪离子运动,找到改变运动状态的机会,以满足电池设计需求。他说:“以前我们必须把这些点连接起来,现在我们可以直接、清晰地探测离子。”

阿贡X射线科学部门的物理学家Eric Dufresne表示,在这项实验中,研究团队利用APS提供的关联性,可以获得速度仅为每秒纳米的结果。“这是一项非常彻底和复杂的研究,以新颖的方式结合X射线技术,既是这方面的一个很好的例证,也是向开发未来应用迈出的一步。”

Dufresne及其同事指出,只有APS对其电子存储环进行升级时,才能更好地进行实验,使其产生的X射线的亮度增加500倍。Dufresne表示:“通过APS升级,我们可以推进动态研究进程,使其达到比微秒更好的水平。我们将聚焦光束,对更厚的材料进行更细微的测量。升级将赋予我们独特的能力,使我们能进行更多类似实验。”

研究团队表示,下一步将分析更复杂的聚合物和其他材料,并最终转向研究液体电解质。Toney希望探讨其他类型材料的离子,比如钙和锌。对于实现针对具体用途设计电池的最终目标来说,测试各种材料具有重要意义。Srinivasan表示:“如果我们想要制造高能、快速、安全和持久的电池,就需要更多地了解离子运动,以及电池内部的情况,并利用这些知识设计新材料。”

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