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新X射线显微镜技术让锂离子电池性能更强大

1963 来源：中国科技网 2016-08-10 14:12:21

近期，美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室和斯坦福大学等机构的研究人员合作，开发出一种新的X射线显微镜（STXM）技术，可细致地观察锂离子电池充放电过程中的粒子活动情况，这或有助于开发出性能更强大的锂离子电池。

研究小组在最新一期《科学》杂志上发表论文称，他们利用伯克利实验室的先进光源，专门设计制造了一个“液体电化学射线显微镜纳米成像平台”，可一次对30个粒子进行成像。研究人员称，与过去所用的透射电子显微镜（TEM）相比，新平台具有更大的视野和更强的穿透性，能让使用者实时观察一些化学特异性变化情况。

研究小组利用这一平台对磷酸铁锂粒子在充放电过程中的活动模式进行了观察、成像，详细记录了粒子化学成分演变及化学反应速率等情况。他们发现，粒子表面的充电过程并不均匀，会随着时间的推移越来越差。

理论上，电池充电时，带正电的锂离子均匀地布满电极表面的状况最理想，但实际上这种情形很难出现，尤其是电池老化后更是如此。

研究人员表示，新技术平台使他们可以在介观尺度对电池的动态活动进行实时成像，要做到这一点很难但很重要。有了这一技术，他们有能力实时解析粒子化学成分和电流密度的变化情况，研究电池的充放电过程，并对单个电池粒子内部电化学反应进行成像，这对更好地理解电池的充电机制和优化电池性能很有帮助。

目前，该研究小组正在设计更高精度的X射线显微镜，其目标分辨率将达到1至5个纳米。

新工艺让锂离子电池生产成本减半 性能柔软耐用更易于回收

美国麻省理工学院的研究人员与一家名为24M的衍生公司合作，日前开发出一种制造锂离子电池的先进工艺，不仅有望显著降低生产成本，还能提高电池性能，使其更易于回收。

现有的锂离子电池制造方法还是20年前发明的，效率低下，过程繁琐。麻省理工学院陶瓷工艺教授、24M公司联合创始人、A123电池公司前创始人之一的蒋业明（音译）与同事于5年前提出了“液流电池”的概念，以带有细微颗粒的悬浮液作为电极，通过泵送的方式在电池中循环。但分析表明，液流电池系统适合于低能量密度电池，对于锂离子电池这样的高能量密度设备而言，意味着成本的增加。

为此，蒋业明的团队改进了设计，新版本被称为“半固体电池”：电极材料不流动，是一种类似于半固态的胶体悬浮液。据物理学家组织网报道，不同于标准工艺需要在衬底材料上添加液态涂层，然后等材料干后才能开始下一道工序，新方法让电极材料始终处于液态，根本不需要干燥。该系统通过使用更少但更厚的电极，将传统电池结构中的分层数量以及非功能性材料的用量减少了80%。

蒋业明说，新工艺极大地简化了制造过程，生产成本可降低一半。电池具有柔性并且更加耐用，不仅可弯曲、折叠，即使被子弹穿过也不会受损。这种方法还可以按比例扩大生产，据他估计，到2020年，每千瓦时容量的成本将降至100美元以下。

目前24M公司已经在原型生产线上制造了大约10000块这样的电池，其中大部分正在接受3个工业合作伙伴的测试，包括泰国的一家石油公司和日本重型设备制造商IHI株式会社。新工艺已获得8项专利，另有75项专利正在接受评审。

锂离子电池爆炸首次被实时“追踪” 有助改进商用电池安全性能

锂离子电池过热并爆炸的时候会发生什么？据物理学家组织网29日报道，英国伦敦大学学院领导的科研小组首次用复杂的三维图像将电池爆炸时其内外发生的情况追踪下来。

理解锂离子电池为何会爆炸以及其潜在危险连锁反应，对增强其安全使用和完善运输过程的设计非常重要。每年，数以亿计的可充电电池都会被生产并运输到指定位置，它们是为代表现代生活的手机、电脑、汽车和飞机提供电力不可或缺的一部分。尽管电池爆炸很少见，但是今年早些时候，三家航空公司宣称他们将不再允许货仓中携带锂离子电池，因为美国联邦航空管理局测试发现，电池可能导致过热甚至引发重大火灾。

伦敦大学学院、欧洲同步辐射实验室、伦敦帝国理工大学和英国国家物理实验室对此共同研究的成果，发表在29日出版的《自然通信》杂志上，第一次实时演示了锂离子电池内部结构损坏变化过程。

论文第一作者、伦敦大学学院化学工程博士生多纳尔·法恩说：“我们将两种不同类型的锂离子电池暴露于异常高的温度中，结合高能加速器X射线和热成像技术，对电池内部结构和外部温度变化进行成像。借助光子高通量快速成像探测仪，其捕捉三维图像的速度可达几分之一秒，我们拍摄了电池过热并点燃的‘热失控’瞬间。”

研究小组考察了在将两块商用锂离子电池暴露于超过250摄氏度的环境中时，气孔形成、通风和增加的温度对其内部层结构的影响。

结果显示，电池内部支持结构在“热失控”之前一直保持完好，但就在“热失控”爆发的瞬间，内部的铜材料融化导致温度升高至1000摄氏度。热量从内部传递到外部直接导致了“热失控”。

相反，没有内部支持结构的电池在爆炸瞬间导致整个电池外壳与内部分离，在“热失控”之前，紧密连接的电池核心也崩溃了，增加了内部短路和损毁附近物体的风险。

此前，科研人员使用的X射线计算机断层扫描（CT）只能用静态图像分析电池失效机理，在正常工作条件下监测电池变化。

论文另一作者保尔·希尔润说：“尽管我们只研究了两块商用电池，但结果显示这种实时追踪电池损毁三维图像的方法多么有用。希望通过使用我们的方法，电池安全性能的设计能力可以被评估和改进。”

研究人员计划研究更多电池样本，并探寻导致电池大面积失效的微观层面原因。

加拿大科学家最新研制一种维生素驱动电池

据报道，目前，加拿大多伦多大学一支研究小组最新研制一种电池，可以将能量存储在生物衍生体上。这项最新研究报告发表在《高级功能材料杂志》上。

这种新型电池类似于许多商业可用的锂离子电池，但却存在一个差异，它使用维生素B2中的黄素作为阴极，该部分存储电流，当连接至一个设备时会释放出电流。

研究报告作者、多伦多大学化学系德维特-塞弗洛斯(Dwight Seferos)博士说：“我们已观察研究自然物质属性一段时间，寻找可用于一系列消费电子产品的复杂分子结构。当你认真分析自然存在的复杂结构时，将使用较少的时间制造新材料。”

虽然之前研制出生物衍生电池部件，但这是首次使用生物衍生高分子——长链微粒，作为一种电极，本质上可使电池能量存储在维生素形成的塑料物质，其成本低廉，并且很容易制造，过程中不会使用对环境构成污染的有害金属，例如：钴。

研究合著作者、多伦多大学化学系泰勒-索恩(Tyler Schon)说：“采用正确的材料，经过多次测试反应，在很多方面，它看上去像是失败的，但是整个过程中坚持不懈的努力还是获得了一些重要发现。”科学家在测试多种长链聚合物时偶然间发现了维生素B2中的黄素，这是一种特殊的侧基聚合物，分子附加在长链分子的“脊骨”上。

锂离子电池与黄素结合在一起，将具有125 mAh/g比容量，2.5伏电压，研究人员指出，在一个设备中使用锂金属作为阳极，该聚合物作为阴极。同时，我们证实该材料比小分子核黄素具有更高的性能，这是目前发现最高能量的生物衍生聚合物阴极。

塞弗洛斯博士说：“维生素B2每次能够接受两个电子，从而使它很容易多样化充电，比其它分子具有更高的容量。”

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