673886040@qq.com
Новое исследование изучает ключи к увеличению срока службы батарей
«Это исследование действительно проливает свет на то, как мы можем проектировать и производить аккумуляторные электроды, чтобы обеспечить длительный срок службы батарей», — сказал Фэн Линь, доцент кафедры химии в Технологическом институте Вирджинии.
Это не задевает тебя сразу. Вам могут потребоваться недели, чтобы заметить. У вас есть недавно заряженные литий-ионные батарейки АА в беспроводном фонтанчике для котят, и их хватает на два дня. Однажды они длились неделю или больше. После очередной зарядки их хватает только на сутки. Скоро ничего.
Вы были бы прощены, если бы стояли там и подвергали сомнению свои собственные действия. «Подождите, я перезарядил их?»
Расслабься, это не ты. Это батарея. Ничто не вечно, даже предполагаемые долговечные аккумуляторы, будь то батарейки АА или ААА, купленные в магазине, или батарейки в наших мобильных телефонах, беспроводных наушниках или автомобилях. Батареи разлагаются.
Фэн Линь, адъюнкт-профессор химического факультета Технологического колледжа Вирджинии, участвует в новом международном межведомственном/университетском исследовании, опубликованном 28 апреля 2022 года в журнале Science, в котором по-новому рассматривается факторы, влияющие на срок службы батареи, и то, как эти факторы фактически меняются со временем в условиях быстрой зарядки. Исследование показало, что на начальном этапе износ батареи, по-видимому, обусловлен свойствами отдельных частиц электродов, но после нескольких десятков циклов зарядки большее значение имеет то, как эти частицы соединяются вместе.
«Это исследование действительно проливает свет на то, как мы можем проектировать и производить аккумуляторные электроды, чтобы обеспечить длительный срок службы аккумуляторов», — сказал Лин. В настоящее время его лаборатория работает над перепроектированием аккумуляторных электродов с целью создания архитектур электродов, которые обеспечивают возможность быстрой зарядки и обеспечивают более длительный срок службы при меньшей стоимости, чем сегодня, а также являются экологически чистыми.
«Когда архитектура электродов позволит каждой отдельной частице быстро реагировать на электрические сигналы, у нас будет хороший набор инструментов для быстрой зарядки аккумуляторов. Мы рады реализовать это понимание в недорогих быстрозаряжающихся батареях следующего поколения», — сказал Лин.
Исследование, соавтором которого является Лин, проводится в сотрудничестве с Национальной ускорительной лабораторией SLAC Министерства энергетики США, а также с Университетом Пердью и Европейским центром синхротронного излучения. Постдокторские исследователи из лаборатории Lin Zhengrui Xu и Dong Hou, также являющиеся соавторами статьи, руководили изготовлением электродов, производством аккумуляторов и измерением характеристик аккумуляторов, а также помогали в рентгеновских экспериментах и анализе данных.
«Основными строительными блоками являются эти частицы, из которых состоит электрод батареи, но когда вы уменьшаете масштаб, эти частицы взаимодействуют друг с другом», — сказал ученый SLAC Иджин Лю, исследователь из Стэнфордского источника синхротронного излучения (SSRL) и старший автор. на бумаге. Следовательно, «если вы хотите построить лучшую батарею, вам нужно посмотреть, как соединить частицы».
В рамках исследования Лин, Лю и другие коллеги использовали методы компьютерного зрения для изучения того, как отдельные частицы, составляющие электрод перезаряжаемой батареи, со временем распадаются. На этот раз целью было изучить не только отдельные частицы, но и то, как они работают вместе, чтобы продлить или ухудшить срок службы батареи. Естественная конечная цель: изучить новые способы выжать немного больше жизни из аккумуляторов.
В рамках своего исследования команда изучила катоды батарей с помощью рентгеновских лучей. Они использовали рентгеновскую томографию для реконструкции 3D-изображений катодов батарей после того, как они прошли различные циклы зарядки. Затем они разрезали эти 3D-изображения на серию 2D-срезов и использовали методы компьютерного зрения для идентификации частиц. Помимо Линя и Лю, в исследовании участвовали Цзичжоу Ли, научный сотрудник SSRL; Кейдже Чжао, профессор машиностроения Университета Пердью; и Нихил Шарма, аспирант Purdue.
В конечном итоге исследователи идентифицировали более 2000 отдельных частиц, для которых они рассчитали не только отдельные характеристики частиц, такие как размер, форма и шероховатость поверхности, но и такие характеристики, как частота прямого контакта частиц друг с другом и степень их разброса. фигуры были.
Затем они рассмотрели, как каждое из этих свойств способствовало распаду частиц, и выявилась поразительная закономерность. После 10 циклов зарядки самыми важными факторами были свойства отдельных частиц, в том числе их сферичность и отношение объема частиц к площади поверхности. Однако после 50 циклов парные и групповые атрибуты — например, насколько далеко друг от друга находились две частицы, насколько различались их формы и одинаково ли были ориентированы более вытянутые частицы в форме футбольного мяча — приводили к распаду частиц.
«Это уже не просто сама частица. Важно взаимодействие между частицами», — сказал Лю. «Это важно, потому что это означает, что производители могут разработать методы контроля таких свойств. Например, они могут использовать магнитные или электрические поля для выравнивания удлиненных частиц друг с другом, что, как показывают новые результаты, приведет к увеличению срока службы батареи».
Член Института инноваций макромолекул в Технологическом институте Вирджинии и аффилированный преподаватель кафедры материаловедения и инженерии, входящей в состав Инженерного колледжа Технологического института Вирджинии, Лин добавила: «Мы тщательно изучаем, как заставить аккумуляторы электромобилей эффективно работать в условиях быстрой зарядки и низких температур.
«Помимо разработки новых материалов, которые могут снизить стоимость аккумуляторов за счет использования более дешевого и доступного сырья, наша лаборатория также работает над пониманием поведения аккумуляторов, далеких от равновесия», — сказал Лин. «Мы начали изучать материалы аккумуляторов и их реакцию на эти факторы. суровые условия."
Чжао, профессор Пердью и соавтор, сравнил проблему деградации с людьми, работающими в группах. «Частицы батареи похожи на людей — мы все начинаем свой путь», — сказал Чжао. «Но в конце концов мы сталкиваемся с другими людьми и оказываемся в группах, идущих в одном направлении. Чтобы понять пиковую эффективность, нам нужно изучить как индивидуальное поведение частиц, так и то, как эти частицы ведут себя в группах».
Ссылка: «Динамика сети частиц в композитных катодах аккумуляторов» Джичжоу Ли, Нихил Шарма, Чжисен Цзян, Ян Ян, Федерико Монако, Чжэнруй Сюй, Донг Хоу, Даниэль Ратнер, Пьеро Пьянетта, Питер Клотенс, Фэн Линь, Кецзе Чжао и Иджин. Лю, 28 апреля 2022 г., Science.
Исследование финансировалось Министерством энергетики США, программой исследований и разработок Национальной ускорительной лаборатории SLAC и Национальным научным фондом. SSRL является пользовательским объектом Управления науки Министерства энергетики.
