研究人员利用高能X射线绘制性能变化图 以确定锂金属电池失效原因

据外媒报道，科学家发现了领先的锂金属电池失效的主要原因。对于长途电动汽车来说，这一发现具有重要意义。研究人员使用高能X射线追踪电池中数千个不同的点，观察循环引起的变化，并绘制性能变化图。在每个点，使用X射线数据来计算正极材料的数量和局部电荷状态。通过将这些研究结果与互补的电化学测量相结合，确定了多次充放电循环后导致电池容量下降的主要机制。据报道，电池故障的主要原因是液体电解质的耗尽。在每个充电和放电循环期间，电解质负责在充电电池的两个电极之间传输锂离子。

美国能源部布鲁克海文国家实验室化学系和石溪大学化学系联合任命的通讯作者Peter Khalifah，他说：“这种电池使用锂金属作为负极，而不是目前使用的石墨材料。它最大的优势在于其高能量密度。在一定质量下增加电池材料可以储存的能量是扩大电动汽车续航里程的最佳方式。”然而，确保锂金属负极在连续循环充电电池中良好工作，同时保持高能量密度是非常具有挑战性的。锂金属非常活跃，在电池循环过程中，越来越多的锂会降解并逐渐消耗电池的其他关键成分，如液体电解质。2020年，电池500联盟的研究人员将电池的循环寿命提高到400次。为了满足电动汽车的需求，该组织寻求实现1000个循环或更长的使用寿命。研究人员表示，为了制造循环时间更长的高能量密度锂金属电池，有必要了解真正的“袋状电池”的失效机制。袋形电池是一种密封的矩形电池，广泛用于工业应用。与为家用电子产品供电的圆柱形电池相比，它们可以更有效地利用空间，是汽车包装的最佳选择。在这项研究中，来自美国能源部太平洋（601099，Guba）西北国家实验室的科学家利用PNNL的先进电池设施，生产了一种具有多层袋状电池几何形状的锂金属电池原型。接下来，美国能源部爱达荷国家实验室的科学家对其中一种多层袋状电池进行了电化学测试。测试结果显示，在最初的170次循环中，只有15%的电池经历了容量损失。然而，在接下来的25个循环中，75%的容量出现了损失。为了了解这一时期结束时容量衰减的原因，他们提取了核心的七个正层中的一个，并将其送往布鲁克黑文实验室，使用国家同步加速器光源II（NSLS-II）的X射线粉末衍射（XPD）光束线进行研究。

在XPD中，照射在样品上的X射线仅以一定角度反射，从而产生独特的图案。该衍射图案可以提供样品结构的多个方面，包括晶胞单元的体积和原子在晶胞单元内的位置。研究团队主要想了解锂金属负极，但其X射线衍射图较弱（因为锂的电子很少），在电池循环过程中变化不大（仍然是锂金属）。因此，研究人员通过研究锂镍锰钴氧化物（NMC）正极中密切相关的变化，间接检测到负极中的变化，因为NMC的衍射模式要强得多。Khalifah解释道，“如果负极开始失效，其问题将反映在正极上，因为正极附近的区域将无法有效吸收和释放锂离子。”在实验过程中，XPD束线发挥了至关重要的作用。由于其高能量，这条光束线上的X射线可以完全穿透电池，即使它只有几毫米厚。通过这种光束的高强度和大二维面积探测器，科学家可以快速收集来自……上数千个点的高质量衍射数据……

电池。研究人员表示，“对于每个点，我们可以在大约1秒内获得高分辨率的衍射图，因此可以在两小时内绘制出电池的整个区域。这比使用传统实验室X射线源生成的X射线快100多倍。”，这是电池中的剩余能量与“完全充电”状态下的能量的比率。100%SOC意味着电池已充满电，能量值达到其最高点。随着电池的使用，这个百分比将会下降。例如，显示80%电池的

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