據(jù)外媒報道，影響消費(fèi)者接受電動汽車(EV)的最大因素之一是充電所需的時間--通常由鋰離子電池供電。根據(jù)充電方式和電池剩余電量的不同，EV可能需要幾個小時或一整夜才能充滿電。這迫使司機(jī)要么限制出行到遠(yuǎn)離他們家庭充電器的地方，要么在長途旅行中找到公共充電站并等待。
為什么電池充滿電需要這么長的時間，即使是那些用于手機(jī)和筆記本電腦等小型設(shè)備的電池也是如此？主要原因是設(shè)備及其充電器的設(shè)計使得可充電鋰離子電池只能以較慢的受控速率充電。這是一種安全功能，有助于防止火災(zāi)甚至爆炸，因?yàn)槲⑿〉摹杂驳臉錉罱Y(jié)構(gòu)--被稱為樹突--可以生長在鋰電池內(nèi)部，當(dāng)快速充電時會引發(fā)電池內(nèi)部短路。
為了解決對更實(shí)用的鋰離子電池的需求，來自加州大學(xué)圣地亞哥分校的研究人員跟橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室(ORNL)的科學(xué)家合作，他們在一種新型材料上進(jìn)行中子散射實(shí)驗(yàn)，這種材料可以用來制造更安全、充電更快的電池。
題為《A disordered rock salt anode for fast-charging lithium-ion batteries》的相關(guān)研究報告已發(fā)表在《自然》上。
“制造鋰離子電池陽極最常用的兩種材料是石墨--它能提供高能量密度，但在某些情況下會引發(fā)火災(zāi)，以及鈦酸鋰--能快速充電，不太可能引起火災(zāi)但儲能能力較低，”這項(xiàng)研究的論文第一作者Haodong Liu說道，“我們開發(fā)的無序巖鹽材料結(jié)合了兩種理想的特性--它更安全、充電更快且具有更高的能量密度。”
這種材料在許多電池應(yīng)用中表現(xiàn)出了理想的性能，如電動汽車和電動工具，包括能量存儲和放電速度。
在測試中，巖鹽陽極材料能在短短20秒內(nèi)提供超40%的能量容量。快速充放電之所以成為可能是因?yàn)閹r鹽材料可以在其晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)的空位內(nèi)循環(huán)兩個鋰離子。
“在ORNL使用中子衍射技術(shù)使我們能理解當(dāng)我們對材料施加電壓時離子的行為，”Liu說道，“中子可以很容易地跟蹤巖鹽陽極內(nèi)的鋰離子和氧原子，并使用ORNL的散裂中子源(SNS)的VULCAN儀器提供了我們所需的高中子通量和分辨率。”
VULCAN是為中子研究變形、相變、殘余應(yīng)力、織構(gòu)和工程材料的微觀結(jié)構(gòu)而設(shè)計。裝載框架、熔爐、電池循環(huán)器和其他用于現(xiàn)場試驗(yàn)、穩(wěn)態(tài)或時間解析測量的輔助設(shè)備都跟該儀器集成在一起。
“VULCAN是世界上研究工程材料的頂級中子散射儀器，”ORNL的中子散射科學(xué)家Ke An說道，“它的開放式設(shè)計允許測試大樣本，甚至是正常運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)械設(shè)備如運(yùn)行中的內(nèi)燃機(jī)，并觀察它們的內(nèi)部特性。該儀器為電池材料合成過程中的儲能研究及其在工作電池中的行為提供了重要的科學(xué)信息。”
研究人員表明，巖鹽陽極可以循環(huán)超10000次，容量衰減可以忽略不計。這種持久性對于消費(fèi)者應(yīng)用程序非常重要。
Liu說道：“這項(xiàng)研究是我們研究小組和ORNL長期合作的一部分，（截止目前）已經(jīng)發(fā)表了20多篇同行評審的期刊論文。ORNL的中子科學(xué)理事會的工作人員跟我還有我的同事密切合作以此來幫助我們了解中子的能力，另外他們還教授我們?nèi)绾问褂脙x器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和解釋數(shù)據(jù)。”
研究人員還在加州大學(xué)歐文分校和能源部的布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了高分辨率顯微鏡研究以解決結(jié)構(gòu)變化。
一旦這些實(shí)驗(yàn)和ORNL的實(shí)驗(yàn)完成，阿貢國家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家及能源部勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家將展開X射線衍射和X射線吸收研究，進(jìn)而揭示材料在充放電過程中的晶體結(jié)構(gòu)變化和電荷補(bǔ)償機(jī)制。
像大多數(shù)用戶一樣，加州大學(xué)圣地亞哥分校保留其對數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生的任何知識產(chǎn)權(quán)的權(quán)利。為了將他們的發(fā)現(xiàn)商業(yè)化，這所大學(xué)隨后跟其研究人員合作成立了一家名為Tyfast的公司，該公司計劃首先瞄準(zhǔn)電動公交車和電動工具市場。
