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阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)鈉離子電池性能缺陷 或可提升EV續(xù)航里程

鉅大鋰電  |  點(diǎn)擊量:0  |  2023年10月24日  

隨著純電動(dòng)汽車的普及,以及家用清潔能源存儲(chǔ)的需求不斷上漲,全球研究人員都在尋找可替代鋰離子材料的性能更好的電池,其中鈉離子電池脫穎而出。和鋰相比,鈉的存儲(chǔ)更豐富也成本更低。更重要的是,當(dāng)在高壓(4.5伏)下循環(huán)時(shí),鈉離子電池可以大大新增在給定重量或體積下可以存儲(chǔ)的能量。然而,隨著充放電循環(huán),其性能下降速度過快,因此無法實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。


據(jù)外媒報(bào)道,美國(guó)能源部(DOE)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(ArgonneNationalLaboratory)的研究人員發(fā)現(xiàn)了其性能下降的一個(gè)關(guān)鍵原因:在制備陰極材料的步驟中形成的原子結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)了缺陷。這些缺陷最終會(huì)導(dǎo)致陰極發(fā)生結(jié)構(gòu)性地震,從而導(dǎo)致電池循環(huán)過程中性能下降。了解該原因后,電池開發(fā)人員將能夠調(diào)整合成條件以制造出性能更加優(yōu)越的鈉離子陰極。


:阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室


取得這一發(fā)現(xiàn)的關(guān)鍵是該團(tuán)隊(duì)依賴阿貢納米材料中心(CNM)和先進(jìn)光子源(APS)供應(yīng)的專家級(jí)科學(xué)能力,這兩個(gè)中心都隸屬于美國(guó)能源部科學(xué)辦公室用戶設(shè)施。


阿貢大學(xué)化學(xué)科學(xué)和工程部助理化學(xué)家GuiliangXu表示:"憑借這些設(shè)施,我們能夠在陰極材料合成過程中實(shí)時(shí)跟蹤其原子結(jié)構(gòu)的變化。"


在陰極合成過程中,材料制造商將陰極混合物在空氣中緩慢加熱到非常高的溫度,并保持一按時(shí)間,然后迅速將溫度降至室溫。


CNM納米科學(xué)家YuziLiu表示:"眼見為實(shí)。憑借阿貢的一流科學(xué)設(shè)施,我們不必猜測(cè),而是直接可以看到合成過程。"為此,該團(tuán)隊(duì)調(diào)用了CNM的透射電子顯微鏡和APS的同步加速器X射線束(光束線11-ID-C和20-BM)。


研究數(shù)據(jù)顯示,在材料合成過程中迅速降低溫度后,陰極顆粒表面變得不那么光滑,并表現(xiàn)出大面積的應(yīng)變指示。數(shù)據(jù)還顯示,這些區(qū)域的推拉效應(yīng)在陰極循環(huán)過程中發(fā)生,導(dǎo)致陰極顆粒開裂和性能下降。


經(jīng)過進(jìn)一步研究,該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn),在高溫(130華氏度)或快速充電(一小時(shí)而不是10小時(shí))下循環(huán)陰極時(shí),這種退化會(huì)加劇。


阿貢杰出研究員KhalilAmine指出:"我們的發(fā)現(xiàn)有關(guān)大規(guī)模制造改進(jìn)的鈉離子陰極極為重要。由于所涉材料量較大,比如1000公斤,因此會(huì)出現(xiàn)很大的溫度變化,除非采取適當(dāng)步驟,否則會(huì)形成許多缺陷。"


團(tuán)隊(duì)成員早期的研究使得陽極得到極大改進(jìn)。Xu表示:"我們目前可以將改進(jìn)的陰陽極相匹配,以實(shí)現(xiàn)20%至40%的性能提升。同樣重要的是,這種電池將在高壓長(zhǎng)期循環(huán)下保持這種性能。"


此次發(fā)現(xiàn)將會(huì)提高電動(dòng)汽車的續(xù)航里程,并降低電網(wǎng)儲(chǔ)能的成本。



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