看到电池的“引擎盖下”推动下一代性能

时间:2020-04-24 18:12 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

看到电池的“引擎盖下”推动下一代性能

伯克利实验室x射线设备采用的技术在新一代电池的研发中得到了越来越广泛的应用。

从新一代智能手机到更远程的电动汽车,再到改进的电网,更好的电池正在推动科技创新。为了推动电池超越目前的性能,研究人员想要看到在这种情况下的情况。了解电池材料的各个成分在表面下的行为。

这可能最终导致电池的改进,如增加容量和电压。

但许多科学家使用的技术只能刮是表面的,年代在工作内电池,和一个高灵敏度的x光技术在美国Energy’ s劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)正吸引着越来越多的科学家,因为它提供了一个更深、更精确的深入化学电池。

人们正试图推动电池的使用,使其超越以往的水平。伯克利实验室高级光源(ALS)的科学家杨万里说,他采用了一种被称为RIXS(共振非弹性x射线散射)的x射线技术,用于关注电池和其他能源材料的ALS实验。肌萎缩性脊髓侧索硬化症会产生从红外线到x射线的光束,以支持世界各地使用该设备的研究人员进行的各种同步实验。

Yang在电池研究中采用的技术,即高效的mRIXS (RIXS的映射),引起了研究人员对电极设计的特别兴趣,电极是电流进出电池的电池组件。在此之前,RIXS主要被认为是一种探索材料中基础物理的工具,而杨与理论家和其他人合作,帮助将这项技术应用到新的研究领域。

科学家们试图研究一种电池材料的内部结构。不仅是表面,而且是整体。了解它的氧原子和金属态;杨说。大多数传统的技术要么缺乏探测器的深度,要么缺乏mRIXS所能提供的化学灵敏度。

MRIXS可用于扫描电池电极样品,以测量电池充放电循环中特定点不同元素的化学状态。它可以有效地测量流行的电池材料,如那些被称为低过渡金属氧化物的材料;这比其他一些替代品更轻,也更划算。

它可以告诉研究人员,电池材料是否得到或失去电子和离子,以及得到和失去的程度;带正电荷或负电荷的原子;以一种稳定的方式,例如,他们可以了解电池退化的速度和原因。

在电池运行过程中,电池电极上的氧原子会被还原(得到电子)和被氧化(失去电子),这就是所谓的氧氧化还原。的反应。在对所谓的富锂电极的研究中发现,氧态的这种变化会影响电池的性能。富锂电极有可能提供更多的锂存储空间,从而提高容量。

氧态的变化会使电池不安全,也会引起其他方面的反应。杨说,如果这个过程不可逆的话。结构也可能倒塌。

但是可逆氧化还原反应发生在电极内部是一件好事。mRIXS技术可以检测氧氧化还原状态是否可逆,也可以检测电极中的金属状态。

这种独特的性能也使得mRIXS特别适合研究高电压、大容量的电池材料,这已经成为电池研发的一个日益关注的焦点。

这项技术的工作原理是,用x射线缓慢扫描一个样品,这个样品在化学上保留了电池充放电周期中的一个点。现在,每张地图扫描大约需要3个小时才能完成。这种全地图扫描需要几天的时间,才能在ALS(肌萎缩性脊髓侧索硬化)协会上推出高效的RIXS系统。

该系统的独特性不仅在于数据收集时间,还在于它观察非常规化学状态的能力,而非常规化学状态通常在x射线下并不十分稳定。他说。检测效率的提高对于在x射线造成任何损伤之前保存样本是很重要的。这也是一个技术上的挑战,未来的光源可以提高x射线的亮度,如ALS升级(ALS- u)项目,ALS科学家现在正在努力进一步提高检测效率。

这项技术是最近几个月发表的几项电池研究的重要组成部分:

今年2月发表的一项研究集中在一种商业上可行的锂电池材料中的氧化还原状态,这种材料含有锂、镍、钴、锰和氧,用于一种被称为阴极的电极。

电池材料中的氧化还原状态也是2月份发表的其他研究的重点,其中一项研究的重点是钠、锂、锰和氧的钠电池材料。

对富含锂的氧化物电极的更多研究已经利用mRIXS来解决它们的氧化学性质:1月份的一项研究侧重于降低与电压相关的电池衰变;3月份的另一项研究展示了一种具有可逆氧化学的材料的快速充放电操作。

2019年11月的一项研究还利用mRIXS研究了富含锂的硫化物电池材料中硫的状态,而不是氧的状态。

杨说,电池研发社区越来越多地使用这项技术是令人鼓舞的,肌萎缩性脊髓侧索硬化症的研究人员正在努力为这些实验建立更多的能力。

需求增长非常快,ALS公司正在开发新的RIXS系统,由于这种能力和不断增长的需求,该系统的吞吐量甚至更高。杨说。

将氧化石墨烯引入能源材料研究是一个新事物。杨补充说。如果10年后我们在ALS被认为是推动了一项研究电池和其他能源材料的基础物理技术的人,那才是我们应该感到自豪的。这就像一个新的领域,社区迫切需要这样一个工具。

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