用于跟蹤鋰運(yùn)動的X射線衍射

已經(jīng)開發(fā)出一種新技術(shù)來確定鋰離子電池的石墨陽極內(nèi)的鋰濃度梯度。眾所周知，交通系統(tǒng)電氣化的關(guān)鍵之一就是快速充電。盡管最新的電動汽車(EV)的續(xù)航里程每次充電可達(dá)300英里或更多，但普遍的共識是，在全國范圍內(nèi)長途跋涉將需要快速充電 - 在15至20之間增加200-300英里的續(xù)航里程分鐘。現(xiàn)在可以將150千瓦(kW)或更高功率泵入鋰離子電池組的高功率直流充電器，但電池單元如何對高功率和電流水平做出反應(yīng)可能會有問題。

市售的鋰離子電池使用多孔石墨負(fù)極(陽極)和金屬氧化物正極(陰極)。液體電解質(zhì)允許在充電和放電期間鋰離子在兩個電極之間通過。在充電期間，鋰離子被插入(插入)在石墨陽極的碳原子之間。在放電期間，鋰離子從石墨中提取并插入陰極結(jié)構(gòu)中。在充電/放電循環(huán)速率小于1C(電池容量在1小時內(nèi)完全放電)時，鋰離子電池可以經(jīng)歷數(shù)百次循環(huán)而容量降低很少。

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然而，如果電池組以高于1C的速率充電，則鋰離子電池的容量，循環(huán)壽命和熱穩(wěn)定性降低。理論研究表明，在高充電速率下的這種降解是由陽極表面的鋰電鍍和石墨電極本身的鋰離子濃度梯度引起的。

除了其他因素之外，在陽極中形成的鋰梯度取決于鋰擴(kuò)散系數(shù)，嵌入速率，陽極厚度及其孔隙率和曲折度的復(fù)雜相互作用。石墨具有特別高的曲折度，主要是因?yàn)槠浔★灎畋∑纬蓪?。將鋰離子移動到石墨的不對準(zhǔn)平面中會使得難以發(fā)生顯著的嵌入。此外，鋰嵌入石墨的可能性非常接近引起鋰電鍍的可能性。如果鋰難以進(jìn)入石墨陽極，則可以將其作為金屬沉積在石墨顆粒上，特別是在陽極表面附近。

石墨電極中產(chǎn)生的鋰離子梯度(電解質(zhì)表面附近的最高濃度，通過陽極厚度移動的濃度較低)也會導(dǎo)致電池極化，允許在鋰完全充電之前達(dá)到截止電壓從陰極中提取，從而降低電池容量。梯度也會在石墨內(nèi)引起結(jié)構(gòu)應(yīng)力，導(dǎo)致斷裂。已經(jīng)觀察到，流過電池的充電電流越高，這些鋰梯度越陡，可以在石墨陽極內(nèi)。

很難看到

盡管石墨陽極中鋰離子的濃度梯度已被廣泛建模，但對該現(xiàn)象幾乎沒有直接的實(shí)驗(yàn)觀察和量化。這是阿貢國家實(shí)驗(yàn)室最近研究的目標(biāo)，其中正在研究快速直流充電，以加速電動汽車的驗(yàn)收。通過使用能量色散X射線衍射(EDXRD)，ANL研究人員能夠在1C的速率下在鋰離子電池的充電和放電期間空間分辨鋰濃度分布。正如Argonne資深科學(xué)家Daniel Abraham在設(shè)計(jì)新聞中所解釋的那樣，當(dāng)鋰嵌入石墨晶體中時，它填充石墨烯片之間的層，產(chǎn)生獨(dú)特的，有序的LixC6階段。以前在石墨電極中原位可視化鋰離子梯度的嘗試使用光學(xué)顯微鏡。該方法可以在LixC6相的連續(xù)中產(chǎn)生定性的見解，其形成但難以分離混合相的貢獻(xiàn)，特別是當(dāng)組分在石墨顆粒上變化時。

根據(jù)亞伯拉罕的說法，Argonne的新方法可以對LixC6相的演替進(jìn)行定性分析。在使用X射線的方法中，LixC6相的濃度分布對應(yīng)于它們的體積平均值，在各個顆粒上積分并量化這些顆粒中每個有序相的分?jǐn)?shù)。通過該量化，可以確定固體基質(zhì)中每個探測層的精確相組成。因?yàn)橹挥杏行虻腖ixC6相對于X射線衍射信號有貢獻(xiàn)，在電解質(zhì)中未檢測到鋰離子和/或在基質(zhì)中檢測到潛在的無序固體化合物。使用EDXRD技術(shù)，研究了在充電和放電期間形成的LixC6相的連續(xù)性，空間分辨率為20μm，時間分辨率為1分鐘。

ANL的工作已發(fā)表在能源與環(huán)境科學(xué)雜志上。根據(jù)阿貢研究人員的說法，一個意想不到的觀察結(jié)果表明，充電和放電之間鋰濃度的特性存在很強(qiáng)的不對稱性，這表明高速脫鋰過程中相變的復(fù)雜特征可能涉及較少有序的相。

這項(xiàng)研究產(chǎn)生了一種有用的工具，不僅有助于理解鋰與石墨陽極的相互作用，而且還將在開發(fā)更有效的電池組件和材料方面發(fā)揮重要作用。根據(jù)Argonne的Abraham，“我們的方法提供了對實(shí)際鋰離子電池中電化學(xué)過程的見解。這些數(shù)據(jù)可用于設(shè)計(jì)高性能電極，這些電極在操作過程中表現(xiàn)更均勻，并可用于驗(yàn)證和改進(jìn)電池模型。“