用于跟蹤鋰運(yùn)動(dòng)的X射線衍射

已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種新技術(shù)來(lái)確定鋰離子電池的石墨陽(yáng)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(dòng)汽車(chē)(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(shí)是，在全國(guó)范圍內(nèi)長(zhǎng)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?，F(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(duì)高功率和電流水平做出反應(yīng)可能會(huì)有問(wèn)題。

市售的鋰離子電池使用多孔石墨負(fù)極(陽(yáng)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(gè)電極之間通過(guò)。在充電期間，鋰離子被插入(插入)在石墨陽(yáng)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(shí)內(nèi)完全放電)時(shí)，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(yáng)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(yáng)極中形成的鋰梯度取決于鋰擴(kuò)散系數(shù)，嵌入速率，陽(yáng)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(dòng)到石墨的不對(duì)準(zhǔn)平面中會(huì)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(yáng)極，則可以將其作為金屬沉積在石墨顆粒上，特別是在陽(yáng)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(guò)陽(yáng)極厚度移動(dòng)的濃度較低)也會(huì)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(huì)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(guò)電池的充電電流越高，這些鋰梯度越陡，可以在石墨陽(yáng)極內(nèi)。

很難看到

盡管石墨陽(yáng)極中鋰離子的濃度梯度已被廣泛建模，但對(duì)該現(xiàn)象幾乎沒(méi)有直接的實(shí)驗(yàn)觀察和量化。這是阿貢國(guó)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(dòng)汽車(chē)的驗(yàn)收。通過(guò)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(shí)，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(jiàn)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(shí)。

根據(jù)亞伯拉罕的說(shuō)法，Argonne的新方法可以對(duì)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(duì)應(yīng)于它們的體積平均值，在各個(gè)顆粒上積分并量化這些顆粒中每個(gè)有序相的分?jǐn)?shù)。通過(guò)該量化，可以確定固體基質(zhì)中每個(gè)探測(cè)層的精確相組成。因?yàn)橹挥杏行虻腖ixC6相對(duì)于X射線衍射信號(hào)有貢獻(xiàn)，在電解質(zhì)中未檢測(cè)到鋰離子和/或在基質(zhì)中檢測(cè)到潛在的無(wú)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(shí)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(shuō)法，一個(gè)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(duì)稱(chēng)性，這表明高速脫鋰過(guò)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(yáng)極的相互作用，而且還將在開(kāi)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(duì)實(shí)際鋰離子電池中電化學(xué)過(guò)程的見(jiàn)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(guò)程中表現(xiàn)更均勻，并可用于驗(yàn)證和改進(jìn)電池模型。“