中子成像技术追踪电池电极中的锂离子填埋设备

据美国弗吉尼亚大学官网近日报道，该校研究人员正在橡树岭家实验室采用中子成像技术，探查锂离子电池并深入理解电池材料和结构的电化学特性。

背景

到2023年，锂离子电池有望拥有470亿美元的市场价值。锂离子电池已经广泛应用于诸多领域，因为它们可提供相对较高的能量密度（存储容量），较高的工作电压，较长的保存期限，较少的“记忆效应”。记忆效应，是指可充电电池的最大容量由于之前使用中的不完全放电而减少。

然而，安全性、充放电循环、预期使用寿命等因素持续限制了锂离子电池在电动汽车等重型应用中的效率。

创新

近日，美国弗吉尼亚大学工程学院的研究人员们正在橡树岭国家实验室（ORNL）采用中子成像技术，探查锂离子电池并深入理解电池材料和结构的电化学特性。他们的研究发表在《电源（Power Sources）》期刊上。在研究中，他们专注于采用两种电活性材料“钛酸锂和锂钴氧化物”的薄烧结与厚烧结样本，追踪了锂离子电池电极中的锂化（lithiation）和脱锂（delithiation）过程，或者说充电与放电过程。

技术

理解锂是如何在电池电极中运动的，对于设计以更快速度充放电的电池来说很重要。在一些电池中，这是一个最缓慢的过程。这意味着，提升通过电极的锂运动将使电池的充电速度变快许多。

美国弗吉尼亚大学工程学院化学工程系副教授加里·柯宁（Gary Koenig）表示：“当电极相对较厚时，锂离子通过多孔材料和隔膜结构的输运，限制了充放电速率。为了开发新方法以改善通过电极中电解质填充的多孔空隙区的锂离子输运，我们首先需要能在充放电过程中，追踪电池中的离子输运和分布。”

柯宁称，其他的技术例如高分辨率X射线衍射，可提供电化学过程期间详细的结构化数据，但是这种方法通常让相对较大的材料体积变得平均化。类似地，X射线相位成像能使锂电池电解质中的盐浓度变得形象化，但是这项技术需要特殊的光谱化学单元，并且只能访问电极区域之间的成分信息。

为了获取更大面积的详细信息，研究人员采用位于橡树岭家实验室高通量同位素反应堆的冷中子成像束线中的中子，开展他们的研究。

柯宁研究小组的研究生、论文领导作者聂子扬（音译）表示：“锂对于中子来说具有很大的吸收系数，这意味着通过材料的中子对于锂浓度高度敏感。我们展示了我们可以采用中子射线照相法，追踪锂电池内部薄与厚的金属氧化物正极中的原地锂化反应。因为中子的穿透性高，所以我们无需为了分析来定做电池，就能跨越包含电极和电解质的整个活性区域来追踪锂。”

对于帮助理解不均匀性（机械、结构、输运和动力学特性的局部变化）对电池寿命和性能产生的影响来说，比较厚与薄的电极中的锂化过程很有必要。局部不均匀性也会带来不均匀的电池电流、温度、电荷状态和老化。通常来说，随着电极厚度增加，不均匀性对于电池性能产生的不利影响也会增加。但是，如果较厚的正负极在电池中的应用不会影响其他因素，那么这将有利于提升能量存储容量。

对于初始实验来说，薄的钛酸锂电极样本的厚度为0.738毫米，锂钴氧化物电极的厚度为0.463毫米，而厚的钛酸锂和锂钴氧化物电极的厚度分别为：0.886毫米与0.640毫米。

价值

柯宁表示：“我们当前的目标是开发一个模型，以帮助我们理解如何改变电极的结构，例如改变材料的朝向或者分布，来改善离子输运特性。通过不同的时间点，对于每个样本进行成像，我们可以构造出锂分布的二维图像。未来，我们计划在中子束中旋转我们的样本，提供可以更详细地展示关于不均匀性如何影响离子输运的三维信息。”

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