BY
JARED SAGOFF|
DECEMBER 2, 2021
Researchers find new issue complicating fast charging.
俗話說得好，欲速則不達。這句箴言對於電池來說尤其適用，因為一項新研究試圖找出導致電動汽車快速充電鋰離子電池效能下降的原因。
這張圖顯示了鋰離子(綠色)在石墨陽極中的嵌入。(圖片來源:阿貢國家實驗室)
在美國能源部(DOE)阿貢國家實驗室的一項新研究中，科學家們發現了電池在充放電過程中兩個電極中的一個發生了有趣的化學行為。
鋰離子電池包含一個帶正電的陰極和一個帶負電的陽極，它們被一種叫做電解質的物質隔開，這種物質可以在兩者之間移動鋰離子。這些電池的陽極通常由石墨製成，許多鉛筆中也含有這種材料。然而，在鋰離子電池中，石墨是由小顆粒組裝而成的。在這些粒子內部，鋰離子可以插入它們自己，這一過程被稱為嵌入。當插入正確時，電池能夠成功充放電。
然而，當電池充電過快時，插電就成了一個棘手的問題。鋰離子不是平滑地進入石墨，而是傾向於聚集在陽極表面的頂部，導致“電鍍”效應，可能會對電池造成終端損壞——沒有雙pun的意思。
該研究的作者之一、阿貢電池科學家丹尼爾·亞伯拉罕說:“在快速充電過程中，電鍍是導致電池效能下降的主要原因之一。”“當我們快速給電池充電時，我們發現除了陽極表面的電鍍外，電極孔內也有反應產物的堆積。”結果，陽極本身經歷某種程度的不可逆膨脹，損害電池效能。
利用一種叫做掃描電子奈米衍射的技術，亞伯拉罕和他來自伊利諾伊大學香檳分校的同事們觀察到了石墨顆粒的另一個顯著變化。在原子水平上，由於重複快速充電，粒子邊緣的石墨原子晶格發生扭曲，阻礙了嵌入過程。他說:“基本上，我們所看到的是石墨中的原子網路變得扭曲，這阻止了鋰離子在粒子內部找到它們的‘家’——相反，它們會鍍在粒子上。”
亞伯拉罕說:“我們給電池充電的速度越快，陽極的原子無序程度就會越高，這最終會阻止鋰離子來回移動。”“關鍵是找到防止這種組織丟失的方法，或者以某種方式修改石墨顆粒，以便鋰離子可以更有效地插入。”
基於該研究的一篇論文發表在10月8日的《電化學學會雜誌》上，題為《快速充電鋰離子電池陽極的多長度尺度表徵揭示了石墨粒子邊緣的無序增加》。
除了亞伯拉罕，這項研究的其他作者還包括阿爾貢的馬爾科-圖利奧·羅德里格斯，以及伊利諾伊大學厄本那-香檳分校的左建民和Saran Pidaparthy。這項研究是由美國能源部科學辦公室資助的，Pidaparthy的研究是由科學研究生研究辦公室(SCGSR)專案資助的，該專案旨在讓研究生為能源部使命中至關重要的STEM職業生涯做好準備。
阿貢國家實驗室尋求解決緊迫的國家科學和技術問題的方法。作為美國第一個國家實驗室，阿爾貢在幾乎每一個科學領域都進行著前沿的基礎和應用科學研究。阿貢的研究人員與來自數百家公司、大學以及聯邦、州和市機構的研究人員密切合作，幫助他們解決具體問題，提高美國的科學領導地位，為國家的美好未來做好準備。Argonne公司的員工來自60多個國家，由芝加哥大學Argonne有限責任公司為美國能源部科學辦公室管理。
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Scientists identify another reason why batteries can’t charge in minutes | Argonne National Laboratory (anl.gov)
