电池创新: 芝加哥大学通过改善金属纹理来提高性能

为了制造适合电动汽车、移动设备和可再生储能的新型电池，研究人员探索过新材料、新设计、新配置和新化学。然而，有一个方面一直被忽略了，即所使用金属的纹理（texture）。

芝加哥大学普利兹克分子工程学院（UChicago PME）Liew Family分子工程教授Shirley Meng表示：“像锂和钠这样的软金属具有优良的性能，可用作电池阳极（负极），其中锂被视为未来高能充电电池的终极阳极材料。但在了解晶粒取向（也称为纹理）如何影响可充电金属电池性能方面，这还存在差距。”

据外媒报道，Meng教授的储能与转换实验室（Laboratory for Energy Storage and Conversion）和行业合作伙伴赛默飞世尔科技（Thermo Fisher Scientific）突破了这一障碍，证明改善金属的纹理可以大大提高性能。

芝加哥大学普利兹克分子工程学院研究副教授Minghao Zhang表示：“在这项研究中，我们发现在锂金属和集电器之间添加一层薄薄的硅，有助于形成所需的纹理。这一改变将使用锂金属的全固态电池的速率能力提高近十倍。”

调整纹理

电池阳极的理想纹理是使原子能够沿表面快速移动，这有利于电池更快地充放电。Zhang表示：“我们认识到软金属的表面能差异确实可以改变其纹理化方式。锂或钠金属依靠这些纹理来获得有利的速率能力，该团队想知道调整软金属的纹理是否可以提高功率密度。”

这方面的研究需要克服使用显微镜的障碍。为了研究这种材料，该团队将在等离子体聚焦离子束扫描电子显微镜（PFIB-SEM）下进行的铣削与电子后向散射衍射（EBSD）映射相结合，利用这两种技术以新的方式来研究纹理。

赛默飞世尔科技的高级市场开发经理Zhao Liu表示：“收集软金属的纹理信息具有挑战性，主要是由于难以接近感兴趣的区域，以及获得锂和钠金属的反应性。PFIB-EBSD组合非常适合这项研究，因为PFIB可以有效接近电池堆中感兴趣的区域，从而产生缺陷最小化的高质量表面，而EBSD可以提供软金属上的详细纹理信息。”

该团队已与LG新能源（LG Energy Solution）的前沿研究实验室（ Frontier Research Laboratory）达成合作，该实验室致力于将该技术商业化。LG新能源高级研究员Jeong Beom Lee表示：“LG新能源积极寻求研究合作，以在快速发展的电池市场中保持领先地位。随着对电动汽车和能源存储的需求持续增长，我们认识到，将我们的制造专业知识与大学创新研究结合起来，以开发下一代电池技术，这具有重要意义。”

研究人员的下一个挑战是将测试压力从5MPa降至1 MPa，这是目前商用电池的行业标准。他们还计划研究纹理对钠的影响，长期以来Meng一直在研究将钠作为成本低且易获得的锂替代品。

Zhang表示：“现在我们了解了软金属中纹理的形成方式，预测金属钠更倾向于具有适合原子快速扩散的纹理。这意味着在全固态电池中使用钠作为电池阳极，可能会为未来储能带来重大突破。”