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可直接观察电池内部的新技术
来源:科技报告与资讯 发布时间:2020-07-22

在充放电过程中,电池内部在微观层面发生了什么?奥尔登堡大学化学系的Gunther Wittstock教授博士领导的一个科学家团队最近在科学杂志《ChemElectroChem》上提出了一种新的技术,用于现场观察迄今为止基本无法观察到的过程。

据研究人员介绍,这种新技术可以加快寻找创新电池的合适材料,最终目标是开发出更耐用、功率密度更高的生态友好型储能设备。来自明斯特大学电池研究中心MEET(明斯特电化学能源技术)的科学家也是该团队的成员。

电池将化学能转化为电能。在这个过程中,带电粒子从带正电的电极,即阴极,穿越到负阳极。在许多现代电池和可充电电池中,活性金属锂是阳极的重要组成部分。在工作过程中,表面会形成超薄层,保护电极和电池液不被分解。然而,到目前为止,几乎不可能直接观察到这些复杂层(只有几百万分之一米厚)在充电和放电周期中发生的变化。

该团队开发了一种新的测量原理,以获得电池运行过程中金属锂电极表面的局部、高分辨率信息。"随着时间的推移,电极表面的化学过程会对电池的耐久性和性能产生重大影响,"Wittstock说。

研究人员使用扫描电化学显微镜(SECM)进行分析。这个过程包括用测量探头扫描样品表面,以几微米的间隔收集化学信息。然后,特殊的软件将测量数据转化为彩色图像。"通过多次重复这个过程,我们可以像在活页本上一样追踪样品表面的变化,"Wittstock解释说。

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Wittstock物理化学研究小组的博士生Bastian Krueger开发了一种特殊的测量电池,其中的实验条件,如电流强度,基本上与真实电池中的条件一致。这位化学家测试了各种电池组件,他使用3-D打印机和数控微型铣床制作了这些组件。同组的另一位博士生Luis Balboa进行了计算机模拟,以优化电池的几何形状,重现真实的实验条件。

通过这种设置,科学家们能够以前所未有的精确度观察锂阳极上的过程。他们观察到,在高速充电时,电池液中的锂是如何在阳极上沉积的。这些局部强化的沉积物可以发展成所谓的树枝状,造成锂在电极上的分支延伸。这种形成限制了电池的耐久性,在极端情况下甚至会导致电池的损坏。

"我们研究的突破在于,我们有史以来第一次能够在测量仪器内直接在现实的电流密度下进行这样的过程,并直观地监测其效果,"Wittstock强调。他补充说,该技术也可用于其他类型的电极,长期目标是研究不同的预处理步骤如何影响电极上保护边界层的形成。





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