钜大LARGE | 点击量：519次 | 2022年09月05日
电池的使用寿命可以"无限"长吗？研究人员引入初始应力状态来改变材料的结构
电池广泛用于日常应用，例如为电动汽车、电子设备供电，并且是可持续能源存储的有希望的候选者。但是，正如您可能已经注意到，每天为电池充电时，它们的储电能力会随着时间的推移而下降。最终，我们需要更换这些电池，这不仅价格昂贵，而且会耗尽制造它们所用的稀土元素。
：Pexels，MohamedAbdelghaffar
电池寿命缩短的一个关键因素是电池结构完整性的退化。为了阻止结构退化，南加州大学维特比工程学院的一组研究人员希望在电池材料中引入“拉伸”，这样它们就可以重复循环而不会出现结构疲劳。这项研究由WiSEGabilan航天与机械工程助理教授AnanyaRenuka-Balakrishna、南加州大学Viterbi博士生DelinZhang以及布朗大学教授BrianSheldon的研究人员领导。他们的工作发表在《固体力学与物理学杂志》上。
典型的电池通过从电极插入和提取锂离子的重复循环来工作。这种插入和提取会扩展和压缩电极晶格。随着时间的推移，这些体积变化会产生微裂纹、断裂和缺陷。
“电池材料中的这些微裂纹和断裂将导致结构退化，最终会降低电池容量，”张说：“最终，电池将不得不更换新电池。”
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
为了阻止这种情况，研究插层材料（一类用作锂离子电池电极的材料）的张提前拉伸了这些插层电极。初始应力状态的这种变化调节相变电压，从而使电极对断裂或非晶化（失去其结晶特性）更具弹性。
更宽的电压，更大的容量
相变，当电池材料改变物理形态时，由伴随日常充电和使用的膨胀和压缩循环产生。
张说：“这些相变会使电极更容易受到结构退化的影响，特别是当这个过程重复如此频繁时。”
相位的可逆性是允许电池随时间保持高效功能的关键。
Renuka-Balakrishna说：“通过确保材料保持其结晶形式可以最大程度地增强可逆性。在某些电压下，当材料从一个相转移到另一个相时，它们会变成粉状，这对于电池的高效运行来说并不理想。”
研究人员因此问自己，“有没有办法让电池材料在能量景观之间来回循环时保持晶体形式？”答案是：通过引入初始应力状态来改变材料的结构。
通过在充电/放电之前拉伸电极，研究人员改变了电极从充电状态到放电状态的能量图谱。这也允许电池在更宽的电压范围内工作，如右图所示。：张德林
张说：“通过在充电和放电之前拉伸电极，我们正在改变电极从充电状态到放电状态的能量图谱。这种初始应变使我们能够减少这些转变的能垒并防止有害的晶格导致材料失效的变形。能源格局的这种变化有助于防止微裂纹和断裂，保护电池的可持续性和储能能力。”
另一个好处是，通过拉伸电极，电池还可以在更宽的电压窗口中运行，从而提高其储能能力。
现代储能的挑战
储能社区的主要关注点之一是摆脱通常用于电池的易燃液体电解质，并将其放入固体材料中。这带来了新的挑战。
众所周知，固体物体在反复受压时会随着时间的推移而变质。一旦引入裂纹，表面的两侧将失去接触。就电池而言，它会产生一个简单的机械问题；Renuka-Balakrishna说，如果没有这种连接，就很难在材料中传输离子。
张确定的方法是尝试在应对这一机械挑战的同时，朝着更安全、更可持续的电池迈进。研究人员说，这种方法的新颖之处在于，您可以通过引入基本力学概念来延长现有材料的寿命，而不是寻找新材料来延长电池寿命。
“力学并不总是开发电池的一个组成部分，”Renuka-Balakrishna说：“但现在工程师可以利用张创造的这个理论/工具来设计电池材料的寿命。”
延长电池的使用寿命将使电子设备和电动汽车的用户受益，从而延长设备的使用时间并最大限度地减少电池更换。考虑到锂离子电池的成本，随着时间的推移，它还可以为用户节省大量资金。
不仅如此，可持续能源存储是减少有害温室气体排放和减少电池浪费的重要组成部分，我们希望通过我们的工作开辟一条新的研究路线，以提高材料的可逆性。
