錳原子在三周后開(kāi)始泄漏 —— 電池制造商可以利用這一信息來(lái)減緩電池容量的衰減。
科學(xué)家們首次實(shí)時(shí)觀察了鋰離子紐扣電池的腐蝕情況，在不使電池破裂的情況下，記錄了10000多個(gè)充電周期。
Operando實(shí)驗(yàn)（真實(shí)操作條件下的實(shí)驗(yàn)）指出，錳的損失是容量衰減過(guò)程中最早也是最具破壞性的一步，電池制造商現(xiàn)在可以利用這些數(shù)據(jù)來(lái)重新設(shè)計(jì)未來(lái)的高能電池。
一種觀察電池耗盡的新方法
當(dāng)鋰離子電池失去動(dòng)力時(shí)，根本原因隱藏在只有幾十微米厚的層里。到目前為止，研究人員只能在鋸開(kāi)電池后，捕捉單個(gè)“之前”或“之后”的快照，才能探測(cè)這些層。由柏林亥姆霍茲中心（HZB）和德國(guó)聯(lián)邦物理技術(shù)研究院（PTB）牽頭的德國(guó)合作團(tuán)隊(duì)打破了這一瓶頸。
該團(tuán)隊(duì)使用柏林工業(yè)大學(xué)BLiX實(shí)驗(yàn)室的共聚焦微X射線熒光（μXRF）光譜儀對(duì)商業(yè)鈕扣電池內(nèi)的元素電流進(jìn)行了數(shù)周的跟蹤。陰極是最先進(jìn)的鎳錳鈷氧化物（NMC）；陽(yáng)極，標(biāo)準(zhǔn)石墨。
在正常工作電流下，研究人員每隔幾小時(shí)掃描一次完整的電池，生成了10微米深度分辨率的三維化學(xué)圖 —— 足夠精細(xì)，可以分離陰極、分離器、陽(yáng)極和金屬背板。
“一切都是非破壞性的，”HZB的第一作者約安娜·曼圖瓦盧博士說(shuō)?！爱?dāng)電池仍在工作時(shí)，我們可以量化每個(gè)元素的遷移位置?！?/p>
早期的罪魁禍?zhǔn)资沁w移的錳
數(shù)據(jù)顯示了一個(gè)兩階段的老化機(jī)制。在大約前200次充放電循環(huán)中（測(cè)試周期約為三周），錳原子從NMC晶格中浸出，漂過(guò)分離器，電鍍到碳陽(yáng)極上。
此時(shí)只有微量的鎳和鈷在移動(dòng)。一旦達(dá)到一定數(shù)量的錳流失，陰極內(nèi)部的溶解就會(huì)減慢。盡管如此，在隔膜層和集流層中仍會(huì)發(fā)生反應(yīng)，從而引發(fā)更廣泛的電化學(xué)破壞。
這一發(fā)現(xiàn)是一個(gè)警告信號(hào)，因?yàn)殄i是高能陰極中最便宜且越來(lái)越普遍的成分。曼圖瓦盧博士解釋說(shuō)：“知道錳是最早的推動(dòng)者，制造商就可以瞄準(zhǔn)涂料或電解質(zhì)添加劑來(lái)確定它。
兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室，一張照片
BLiX的長(zhǎng)時(shí)間掃描提供了退化時(shí)間線；在BESSY II同步加速器上，PTB新的MiFO微聚焦光束線的高亮度“快照”充滿(mǎn)了原子細(xì)節(jié)。共聚焦幾何結(jié)構(gòu)，兩個(gè)微小的X射線透鏡在細(xì)胞內(nèi)的一個(gè)點(diǎn)上對(duì)齊，捕獲了同一體素的熒光和吸收光譜，提高了定量精度。
國(guó)家同步加速器的波束時(shí)間是寶貴的，因此BLiX系統(tǒng)運(yùn)行長(zhǎng)達(dá)數(shù)天的自主活動(dòng)的能力彌補(bǔ)了一個(gè)關(guān)鍵的差距。曼圖瓦盧博士說(shuō)：“我們現(xiàn)在可以把BESSY II保留在關(guān)鍵的時(shí)間間隔，讓實(shí)驗(yàn)室光譜儀收集電影的其余部分?！?/p>
超越紐扣電池
雖然原型實(shí)驗(yàn)使用的是鈕扣電池，但該技術(shù)可以擴(kuò)展到堆疊袋狀或圓柱形格式以及其他化學(xué)形式。任何層比頭發(fā)絲還薄的設(shè)備 —— 固態(tài)電解質(zhì)、燃料電池，甚至半導(dǎo)體堆棧 —— 原則上都可以被掃描。
這項(xiàng)研究的合作伙伴包括密歇根大學(xué)和HZB的SyncLab研究人員。經(jīng)費(fèi)來(lái)自德國(guó)聯(lián)邦教育和研究部。
曼圖瓦盧博士指出：“定量的、可操作的、分層的數(shù)據(jù)一直是電池老化研究中缺失的一部分。有了這個(gè)工具集，我們就可以在機(jī)制層面上攻擊能力衰退，而不僅僅是通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)?！?/p>
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