对电池充电的新见解支持改进电动汽车的开发

2019-03-09 09:28:59
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由Elsevier的今日材料出版的慕尼黑工业大学,ForschungszentrumJülich和亚琛工业大学的研究人员开发的一项新技术,提供了一个独特的见解,即锂离子电池的充电速率如何成为限制其寿命和安全的因素。

最先进的锂离子电池正在推动清洁运输和高端消费电子产品的革命,但仍有足够的空间来改善充电时间。目前,通过增加充电电流来减少充电时间会损害电池寿命和安全性。

“在镀锂之前锂离子可以可逆地嵌入石墨阳极的速率限制了充电电流,”慕尼黑工业大学(TUM)的Johannes Wandt博士解释道。

锂离子电池由带正电荷的过渡金属氧化物阴极和液体电解质中的带负电的石墨阳极组成。在充电期间,锂离子从阴极(脱嵌)移动到阳极(嵌入)。然而,如果充电速率太高,则锂离子作为金属层沉积在阳极表面上,而不是将其自身插入石墨中。“这种不希望的锂电镀副反应会导致细胞快速降解并造成安全隐患,”Wandt博士补充道。

WUMt博士和TUM技术电化学主席Hubert A. Gasteiger博士以及ForschungzentrumJülich和亚琛工业大学的同事们开始研发一种新工具来检测石墨阳极上实际的锂电镀量。 -时间。结果是研究人员称之为操作电子顺磁共振(EPR)的技术。

“观察锂金属电镀的最简单方法是在电池寿命结束时打开电池,用肉眼或显微镜进行视觉检查,”Wandt博士说。“还有一些非破坏性电化学技术可以提供有关电池充电过程中是否发生锂电镀的信息。”

然而,这两种方法都没有提供很多关于锂金属电镀开始或充电过程中存在的锂金属量的信息。相比之下,EPR检测与金属锂中的不成对传导电子相关的磁矩,具有非常高的灵敏度和几分钟甚至几秒的时间分辨率。

“目前的形式,这种技术主要限于实验室规模的细胞,但有许多可能的应用,”ForschungzentrumJülich和亚琛工业大学的Josef Granwehr博士解释说。“到目前为止,先进快速充电程序的开发主要基于模拟,但缺乏实验验证这些结果的分析技术。该技术对于测试电池材料及其对锂金属电镀的影响也非常有趣。特别是,可以抑制或减少锂金属电镀的电解质添加剂。“

Wandt博士强调,电动汽车的快速充电可能是受益于进一步分析工作的关键应用。

到目前为止,还没有可用的分析技术可以直接确定最大充电速率,这是锂金属电镀开始之前的充电状态,温度,电极几何形状和其他因素的函数。这项新技术可以为常用的计算模型提供急需的实验验证,以及研究新电池材料和添加剂对锂金属电镀的影响的方法。

研究人员现在正在与其他合作者合作,将他们的实验结果与简单模型系统中电镀过程的数值模拟进行对比。

“我们的目标是开发一种工具集,促进对不同电池设计和循环协议的锂金属电镀的实际理解,”Rüdiger-A博士解释说。ForschungzentrumJülich和亚琛工业大学的Eichel。

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