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俄科学家发表对锂离子电池结构的新见解

锂离子电池充放电过程中,有许多反应在作用,虽然锂离子电池现在日益普及,但里面仍存在一些作用原理没有被人所知。要想改善锂离子电池的性能,对其进行不断的观察是最好的方法之一,但考虑到锂离子电池的复杂结构和显微镜技术的局限性,这并非易事。

来自莫斯科Skoltech能源科学技术中心的科学家开发了一种新方法来仔细观察其中一些锂电运作的过程——固体电解质中间相(SEI)的形成过程,研究者把SEI描述为一个锂离子电池阳极表面在几个初始循环过程中形成的一层薄的电解质还原产物。

研究人员表示这种薄膜的形成对于减缓电池退化至关重要。然而,事实证明,对SEI的形成进行原位测量非常困难,在实验室中用更统一的替代品替代商用电池材料是获得结果的唯一方法。

Skoltech科学家Sergey Luchkin说:“由于电池级材料通常都是粉末,要通过原子力显微镜在其表面可视化动态过程,特别是在液体环境下,是一个挑战。标准电池电极太粗糙,无法进行此类测量,并且在扫描过程中,孤立的颗粒往往会从基板上脱离。为了克服这个问题,我们将颗粒嵌入环氧树脂中并进行了横截面处理,以便将颗粒牢固地固定在基材中。”

除了高度定向的热解石墨(一种以前用于研究SEI的较均匀的碳材料之一)之外,Skoltech小组还将其横截面工艺应用于中碳微珠石墨和不可石墨化的非晶碳的电极,从而使研究人员能够观察形成SEI层的厚度,并评估其电气和机械性能。

他们的研究表明SEI形成的条件因电极材料的不同而有很大差异,以及SEI附着力与电极的表面粗糙度相关。由于SEI能够渗入多孔性更高的表面并获得更好的附着力,因此较粗糙的表面可促进降解的减少。

将横断面方法应用于锂-锰-钴阴极,未发现形成SEI层的迹象。根据科学家们的说法,这一结果表明,未来的研究应该承认锂离子电池阳极和阴极之间的稳定机制有着根本性的差异。

他们的研究结果发表在Scientific Reports上。

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