据外媒报道，到2023年，锂离子电池的全球市值预计将达到470亿美元。由于锂离子电池的能量密度高、工作电压高、保质期长、“储存效应”小。然而，安全性、充电和放电周期以及使用寿命等因素一直制约着锂离子电池在电动汽车等重型应用中的使用。弗吉尼亚大学工程学院的研究人员正在美国橡树岭国家实验室使用中子成像技术检测锂离子电池，并对电池材料和结构的电化学特性进行深入研究。研究的重点是使用钛酸锂和钴酸锂这两种电活性材料的薄层和厚层烧结样品来跟踪锂离子电池电极的锂化和脱锂过程。了解锂在电池电极中的运动对于设计能够以更快的速度充电和放电的电池至关重要。改善锂在电极中的运动可以使电池充电更快。弗吉尼亚大学工程学院化学工程副教授Gary Koenig，说：“如果电极相对较厚，锂离子通过多孔材料和隔膜结构的传输会限制充电和放电速率。为了开发提高锂离子在填充电解质的电极多孔间隙区域中传输性能的方法，我们首先需要能够跟踪电池过程中离子的传输和分布y充电和放电过程。Koenig说，其他方法，如高分辨率X射线衍射，可以在电化学过程中提供详细的结构数据，但这种方法通常会使材料的平均体积更大。同样，X射线相位成像技术可以显示电池电解液中的盐浓度，但这种技术只能用于特殊的光谱化学电池，并且可以仅获得电极区域之间的组成信息。为了获得更详细的信息，研究人员利用中子对橡树岭国家实验室高通量同位素反应堆的冷中子成像束线进行了研究。比较锂离子电池中薄电极和厚电极的锂化过程对于理解不均匀性对电池寿命和性能的影响至关重要。局部不均匀也会导致电池电流、温度、充电状态和老化的不均匀。一般来说，随着电极厚度的增加，不均匀性对电池性能的不利影响也会增加。然而，如果在不影响其他因素的情况下，可以将较厚的电极用于电池，这将有助于提高电池的储能能力。在初始实验中，薄电极样品中钛酸锂和氧化钴的厚度分别为0.738mm和0.463mm，而厚电极样品中的钛酸锂和氧化钴的厚度则分别为0.886mm和0.640mm。柯尼希表示：我们的目标是开发一个模型，帮助了解如何改变电极结构，例如改变材料的方向和分布，以提高离子传输性能。通过利用每个样品在不同时间点的成像，我们可以绘制电池中锂离子分布的二维图。未来，我们计划在中子束中旋转样品，以提供三维信息，并更详细地揭示不均匀性对锂离子传输性能的影响impact。
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