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研究發(fā)現(xiàn)電池正極上的裂紋會加快EV充電速度

時(shí)間:2023-08-06 13:14來源:蓋世汽車 作者:Elisha
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       據(jù)外媒報(bào)道，密歇根大學(xué)（University of Michigan）研究表明，鋰離子電池正極上的裂紋不是完全有害的，而是可能加快電池的充電速度。
（圖片來源：密歇根大學(xué)）
 
       許多電動汽車制造商的觀點(diǎn)與此不同，通常會盡量減少裂紋，以免縮短電池的使用壽命。密歇根大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)助理教授Yiyang Li表示：“許多公司希望使用不會破裂的顆粒來制造‘百萬英里’電池。然而，如果去除裂紋，就不會有這些裂紋帶來的額外表面積，電池顆粒將無法快速充電。在旅行時(shí)，用戶并不希望等待5個(gè)小時(shí)來給汽車充電，而是希望在15或30分鐘內(nèi)充滿電。”
 
       該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，這一發(fā)現(xiàn)適用于一半以上的電動汽車電池，其中這些電池的正極由數(shù)萬億個(gè)由鋰鎳錳鈷氧化物或鋰鎳鈷鋁氧化物制成的微顆粒組成。
 
       理論上來說，正極電荷的速度取決于顆粒的表面積與體積之比。小顆粒比大顆粒的充電速度更快，因?yàn)樗鼈兿鄬τ隗w積有更高的表面積，從而縮短其中鋰離子的擴(kuò)散距離。然而，傳統(tǒng)方法無法直接測量單個(gè)正極顆粒的充電特性，只能測量構(gòu)成電池正極的所有顆粒的平均值。這意味著以往對充電速度和正極顆粒大小之間關(guān)系的認(rèn)識，僅僅是一種假設(shè)。
 
       密歇根大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)博士生Jinhong Min表示：“研究發(fā)現(xiàn)正極顆粒破裂后，具有更多的活性表面來吸收鋰離子，不僅在顆粒外表面，而且在裂紋內(nèi)部。研究人員已經(jīng)知道顆粒會發(fā)生破裂，但尚未測量破裂狀態(tài)如何影響充電速度。”
 
       了解正極裂紋的優(yōu)點(diǎn)，關(guān)鍵在于測量單個(gè)正極顆粒的充電速度。為了做到這一點(diǎn)，研究人員將這些顆粒插入神經(jīng)科學(xué)家常用來研究單個(gè)腦細(xì)胞如何傳輸電信號的裝置。Li表示：“一位研究神經(jīng)科學(xué)的同事曾向我展示用來研究單個(gè)神經(jīng)元的陣列。我想知道，我們是否也可以用它們來研究電池顆粒，因?yàn)轭w粒大小與神經(jīng)元相似。”
 
       每個(gè)陣列都是定制設(shè)計(jì)的2 x 2厘米芯片，具有多達(dá)100個(gè)微電極。在芯片中心布散一些正極顆粒，然后，研究人員使用比人類頭發(fā)絲細(xì)約70倍的針，將單個(gè)顆粒移到陣列上各自的電極上。當(dāng)顆粒就位后，研究人員可以在陣列上同時(shí)對最多4個(gè)單獨(dú)的顆粒進(jìn)行充放電。在這項(xiàng)特定的研究中，研究人員測量了21個(gè)顆粒。
 
       實(shí)驗(yàn)表明，正極顆粒的充電速度并不取決于其大小。研究人員認(rèn)為，這極有可能是因?yàn)檩^大的顆粒在破裂時(shí)，實(shí)際上表現(xiàn)得像較小顆粒的集合。另一種可能性是，鋰離子在晶界（構(gòu)成正極顆粒的納米級晶體之間的微小空間）中移動得非�？�。但是，Li認(rèn)為這不太可能，除非電池的電解質(zhì)穿透這些邊界，形成裂縫。
 
       研究人員在設(shè)計(jì)具有不破裂單晶顆粒的長壽命電池時(shí)，必須考慮破裂材料的優(yōu)點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)快速充電，這些顆�？赡芤∮诂F(xiàn)在的正極破裂顆粒。Li表示，另一種選擇是用不同的材料來制造單晶正極，從而更快地移動鋰。但是，這些材料可能能量密度較低，或者其中必要的金屬供應(yīng)有限。
 
(責(zé)任編輯：子蕊)
文章標(biāo)簽： 電池正極 充電速度
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