鉅大LARGE | 點擊量：610次 | 2021年12月21日
電池的使用壽命可以“無限”長嗎？研究人員引入初始應力狀態(tài)來改變材料的結構
電池廣泛用于日常應用，例如為電動汽車、電子設備供電，并且是可持續(xù)能源存儲的有希望的候選者。但是，正如您可能已經(jīng)注意到，每天為電池充電時，它們的儲電能力會隨著時間的推移而下降。最終，我們需要更換這些電池，這不僅價格昂貴，而且會耗盡制造它們所用的稀土元素。
：Pexels，MohamedAbdelghaffar
電池壽命縮短的一個關鍵因素是電池結構完整性的退化。為了阻止結構退化，南加州大學維特比工程學院的一組研究人員希望在電池材料中引入“拉伸”，這樣它們就可以重復循環(huán)而不會出現(xiàn)結構疲勞。這項研究由WiSEGabilan航天與機械工程助理教授AnanyaRenuka-Balakrishna、南加州大學Viterbi博士生DelinZhang以及布朗大學教授BrianSheldon的研究人員領導。他們的工作發(fā)表在《固體力學與物理學雜志》上。
典型的電池通過從電極插入和提取鋰離子的重復循環(huán)來工作。這種插入和提取會擴展和壓縮電極晶格。隨著時間的推移，這些體積變化會產(chǎn)生微裂紋、斷裂和缺陷。
“電池材料中的這些微裂紋和斷裂將導致結構退化，最終會降低電池容量，”張說：“最終，電池將不得不更換新電池?！?/p>
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
為了阻止這種情況，研究插層材料（一類用作鋰離子電池電極的材料）的張?zhí)崆袄炝诉@些插層電極。初始應力狀態(tài)的這種變化調(diào)節(jié)相變電壓，從而使電極對斷裂或非晶化（失去其結晶特性）更具彈性。
更寬的電壓，更大的容量
相變，當電池材料改變物理形態(tài)時，由伴隨日常充電和使用的膨脹和壓縮循環(huán)產(chǎn)生。
張說：“這些相變會使電極更容易受到結構退化的影響，特別是當這個過程重復如此頻繁時?！?/p>
相位的可逆性是允許電池隨時間保持高效功能的關鍵。
Renuka-Balakrishna說：“通過確保材料保持其結晶形式可以最大程度地增強可逆性。在某些電壓下，當材料從一個相轉(zhuǎn)移到另一個相時，它們會變成粉狀，這對于電池的高效運行來說并不理想。”
研究人員因此問自己，“有沒有辦法讓電池材料在能量景觀之間來回循環(huán)時保持晶體形式？”答案是：通過引入初始應力狀態(tài)來改變材料的結構。
通過在充電/放電之前拉伸電極，研究人員改變了電極從充電狀態(tài)到放電狀態(tài)的能量圖譜。這也允許電池在更寬的電壓范圍內(nèi)工作，如右圖所示。：張德林
張說：“通過在充電和放電之前拉伸電極，我們正在改變電極從充電狀態(tài)到放電狀態(tài)的能量圖譜。這種初始應變使我們能夠減少這些轉(zhuǎn)變的能壘并防止有害的晶格導致材料失效的變形。能源格局的這種變化有助于防止微裂紋和斷裂，保護電池的可持續(xù)性和儲能能力?！?/p>
另一個好處是，通過拉伸電極，電池還可以在更寬的電壓窗口中運行，從而提高其儲能能力。
現(xiàn)代儲能的挑戰(zhàn)
儲能社區(qū)的主要關注點之一是擺脫通常用于電池的易燃液體電解質(zhì)，并將其放入固體材料中。這帶來了新的挑戰(zhàn)。
眾所周知，固體物體在反復受壓時會隨著時間的推移而變質(zhì)。一旦引入裂紋，表面的兩側將失去接觸。就電池而言，它會產(chǎn)生一個簡單的機械問題；Renuka-Balakrishna說，如果沒有這種連接，就很難在材料中傳輸離子。
張確定的方法是嘗試在應對這一機械挑戰(zhàn)的同時，朝著更安全、更可持續(xù)的電池邁進。研究人員說，這種方法的新穎之處在于，您可以通過引入基本力學概念來延長現(xiàn)有材料的壽命，而不是尋找新材料來延長電池壽命。
“力學并不總是開發(fā)電池的一個組成部分，”Renuka-Balakrishna說：“但現(xiàn)在工程師可以利用張創(chuàng)造的這個理論/工具來設計電池材料的壽命?！?/p>
延長電池的使用壽命將使電子設備和電動汽車的用戶受益，從而延長設備的使用時間并最大限度地減少電池更換?？紤]到鋰離子電池的成本，隨著時間的推移，它還可以為用戶節(jié)省大量資金。
不僅如此，可持續(xù)能源存儲是減少有害溫室氣體排放和減少電池浪費的重要組成部分，我們希望通過我們的工作開辟一條新的研究路線，以提高材料的可逆性。
