極冷如何使鋰離子電池材料破裂并降低性能

鋰離子電池因其在寒冷天氣中的不良性能而有點(diǎn)出名，這對(duì)其一些最重要的應(yīng)用產(chǎn)生了影響——從在威斯康星州的冬天啟動(dòng)電動(dòng)汽車到在火星上飛行無(wú)人機(jī)。

現(xiàn)在，美國(guó)能源部 SLAC 國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室的研究人員發(fā)現(xiàn)了該問題的一個(gè)被忽視的方面：在低于冰點(diǎn)的溫度下儲(chǔ)存鋰離子電池會(huì)使電池的某些部分破裂并將它們與周圍材料分離，從而降低其蓄電容量.

SLAC 科學(xué)家劉一進(jìn)和博士后李繼洲在觀察陰極的寒冷天氣性能時(shí)發(fā)現(xiàn)了這一發(fā)現(xiàn)，即電池在使用時(shí)流入的部分電子。最初的研究發(fā)現(xiàn)，在低于零攝氏度的溫度下儲(chǔ)存陰極會(huì)導(dǎo)致電池在充電 100 次后比儲(chǔ)存在較高溫度下的電池多損失 5% 的容量。

為了理解其中的原因，研究人員轉(zhuǎn)向了 SLAC 斯坦福同步輻射光源的 X 射線分析方法和李在過去幾年中一直在研究的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的組合。這種組合使他們能夠識(shí)別單個(gè)陰極粒子——這意味著該團(tuán)隊(duì)可以一次研究數(shù)千個(gè)粒子，而他們只能用眼睛識(shí)別出少數(shù)粒子。

劉說，這些方法共同表明，低溫正在使陰極內(nèi)的肉丸狀顆粒收縮，并在此過程中使它們破裂——或者使現(xiàn)有的裂縫更加嚴(yán)重。而且，由于材料在響應(yīng)溫度變化時(shí)膨脹和收縮的方式不同，極端寒冷也會(huì)使陰極與周圍材料分離。

劉說，結(jié)果指出了一些可能的修復(fù)方法。通過尋找在溫度響應(yīng)方面更匹配的電池材料，科學(xué)家們可以解決分離問題。這樣做也有助于改善其他電池，因?yàn)樗须姵卦诩訜岷屠鋮s時(shí)都會(huì)膨脹和收縮。通過在電池內(nèi)部設(shè)計(jì)不同的粒子結(jié)構(gòu)——特別是，用更光滑、不太像肉丸的粒子構(gòu)建它們——研究人員可以幫助防止開裂并提高鋰離子電池的長(zhǎng)期容量。

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