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研究人员探讨厚电极构成对电化学反应的影响 以设计更好的固态电池

为了提高电动汽车的功率、效率和安全性,研究人员需要开发更好的电池。

全固态锂电池(SSB)采用固态电解质,具有不易燃性,在较高的温度下更加稳定,比使用电解液的传统锂离子电池更加安全。另外,SSB具有更高的能量密度,体积更小、更耐用,可用于便携式电子产品和其他应用。

据外媒报道,最近,波士顿东北大学(Northeastern University)和美国能源部阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory)的研究团队对厚电极构成如何影响SSB中的电化学反应进行了测试。该团队采用高级光子源(APS)的资源,这是美国能源部位于阿贡的科学办公室用户设施。

研究人员将电池比作三明治,其中包括分别位于两侧的正、负极,以及中间的隔膜和电解液。当电池提供电力时,锂离子通过电解液从负极流向正极。SSB不需使用传统隔膜,而是通过固态电解质隔开正负极,因此需要较厚的正极。

在这项研究中,该团队评估由两种材料构成的厚正极,包括一种名为LPSC的硫化物固体电解质,以及NMC(镍、锰、钴)正极活性材料(CAM)。研究人员改变这两种材料构成,一些电池中包括80% CAM和20% LPSC,其他一些电池中包括70% CAM和30% LPSC,或者40% CAM和60% LPSC。然后,他们在APS光束线6-BM-A上使用X射线成像和散射来测量正极和固态电解质中的六个切片。

研究负责人Joshua Gallaway表示:“研究人员将正极分成片,希望所有的薄片都能发挥同样的作用。”实际上,改变正极的构成或厚度,可以改变电化学反应发生的位置。

研究人员对电池中的电化学反应进行了表征。APS物理学家Okasinski表示:“人们研究电池时,经常测量两端的功率。但是,中间有一堆复杂的结构决定了电池的性能。使用X线束穿透电池材料,研究人员可以非破坏性研究电池中各个部分的性能。”

结果显示,正极构成对电化学反应的发生过程具有重大影响。例如,在具有80% CAM正极的SSB中,最靠近负极的正极片首先发生反应,最远的薄片反应最慢。然而,在具有80% CAM正极的SSB中,最远的薄片首先发生反应,最近的薄片最后反应。Gallaway表示:“反应高度不均匀”,可能导致电池材料更快地降解。

研究人员表示,为了设计更好的电池,探讨电池内发生的反应是重要一步。这些电池可用于电动汽车、便携式电子产品和其他应用,“全固态电池的具体设计将决定其应用领域,以及未来的优化方向。”

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