掃描工作電池內(nèi)部情況的探索

電池存在測(cè)試和測(cè)量的困境和難題。一方面，端電壓、電流和溫度等基本電池外部參數(shù)相當(dāng)容易測(cè)量。下一層評(píng)估，例如評(píng)估充電狀態(tài)，需要更多的時(shí)間和精力，但事后肯定是可行的。

但是看看電池內(nèi)部發(fā)生了什么，尤其是在它被積極充電或放電時(shí)——現(xiàn)在這是一個(gè)真正的挑戰(zhàn)。在這方面，正在評(píng)估的電池是一個(gè)真正的“黑匣子”。科學(xué)家、研究人員和工程師可以推測(cè)正在發(fā)生或發(fā)生的事情——但這就像對(duì)尸體進(jìn)行尸檢一樣——由于被測(cè)單元現(xiàn)在已經(jīng)“死亡”，因此獲得的洞察力通常是靜態(tài)的。

這并沒(méi)有提供數(shù)據(jù)和洞察力的數(shù)量和類(lèi)型來(lái)支持電池供應(yīng)商、大學(xué)和其他設(shè)施為更好的電池所做的努力。這些研究人員希望在使用電池時(shí)實(shí)時(shí)查看電池內(nèi)部發(fā)生的情況，研究界將這種模式指定為操作觀察，意思是“在運(yùn)行中”。(這不應(yīng)與體外，意思是在活的有機(jī)體之外或體內(nèi)，意思是在活的動(dòng)物或人體內(nèi)。)

在這一領(lǐng)域取得了一些令人印象深刻的進(jìn)展，但進(jìn)展緩慢，盡管研究人員如何描述測(cè)試安排并不簡(jiǎn)單。這些是我最近讀到的眾多努力之一：

“電池中單粒子離子動(dòng)力學(xué)的 Operando 光學(xué)跟蹤”。本文詳細(xì)介紹了劍橋大學(xué)(英國(guó))所做的工作，該大學(xué)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種稱為干涉散射顯微鏡的光學(xué)顯微鏡技術(shù)來(lái)觀察電池過(guò)程。他們能夠通過(guò)測(cè)量散射光的量來(lái)觀察鈷酸鋰(通常稱為 LCO)單個(gè)顆粒的充電和放電，還可以看到 LCO 在充放電循環(huán)中經(jīng)歷了一系列相變。LCO 顆粒內(nèi)的相界隨著鋰離子的進(jìn)出而移動(dòng)和變化。研究人員發(fā)現(xiàn)，移動(dòng)邊界的機(jī)制取決于電池是充電還是放電。

· “使用操作 X 射線斷層掃描將固態(tài)電池中的空隙和相間演化與電化學(xué)聯(lián)系起來(lái)”以及補(bǔ)充信息;再一次，主要論文在付費(fèi)墻后面，但也可以在此處獲得。由喬治亞理工學(xué)院 (Georgia Tech) 的一個(gè)小組領(lǐng)導(dǎo)的多機(jī)構(gòu)團(tuán)隊(duì)(包括阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室)開(kāi)發(fā)了一種在電池充電和放電時(shí)查看電池內(nèi)部的技術(shù)。

這種 X 射線顯微斷層掃描成像類(lèi)似于醫(yī)療 CAT 掃描。他們的同步加速器 X 射線“計(jì)算機(jī)顯微斷層掃描”成像揭示了鋰/固體電解質(zhì)界面處電極材料的動(dòng)態(tài)變化如何決定固態(tài)電池的行為。研究人員發(fā)現(xiàn)，電池操作導(dǎo)致界面處形成空隙，造成接觸損失，這是導(dǎo)致電池故障的主要原因

?“通過(guò)受激拉曼顯微鏡對(duì)陰離子耗盡和鋰生長(zhǎng)進(jìn)行操作和三維可視化?！? 哥倫比亞大學(xué)(紐約)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)正在使用拉曼散射顯微鏡，這是一種先進(jìn)的光譜電光技術(shù)，廣泛用于生物醫(yī)學(xué)測(cè)試、化學(xué)過(guò)程研究和材料科學(xué)。在這種受激散射中。同步泵浦激光束和掃頻斯托克斯激光束組合，組合與樣品相互作用，使其產(chǎn)生相干光學(xué)響應(yīng)。

通過(guò)測(cè)量撞擊光束掃過(guò)時(shí)的振動(dòng)共振，可以揭示目標(biāo)分子的詳細(xì)“指紋”。結(jié)果揭示了導(dǎo)致離子濃度不均勻增長(zhǎng)的多階段正反饋機(jī)制。那些具有較高濃度的區(qū)域經(jīng)歷了較高的生長(zhǎng)速率，這反過(guò)來(lái)又導(dǎo)致不希望的枝晶晶體的濃度進(jìn)一步增加并加速生長(zhǎng)速率。

· “熱失控期間鋰離子電池的操作內(nèi)高速斷層掃描”，描述了倫敦大學(xué)學(xué)院(英國(guó))的一個(gè)團(tuán)隊(duì)如何開(kāi)發(fā)一個(gè)復(fù)雜的裝置來(lái)對(duì)鋰電池進(jìn)行內(nèi)部計(jì)算機(jī)軸向斷層掃描(CAT)掃描即時(shí)的。目的是詳細(xì)了解這些電池眾所周知的不幸方面，幸運(yùn)的是僅在某些特殊情況下或由于制造缺陷而發(fā)生：它們傾向于過(guò)熱和爆炸/著火，通常稱為熱失控。

這些技術(shù)中的每一種都為我們提供了更好地理解電池電化學(xué)過(guò)程所需的更多洞察力。但它們的設(shè)置和評(píng)估都很復(fù)雜，而且肯定不具備我們便攜式或臺(tái)式電子儀器的便利性。相反，它們是電子、光學(xué)和深度物理系統(tǒng)和布置的復(fù)雜組合。

電池化學(xué)不會(huì)輕易放棄其秘密，但這并不能阻止我們嘗試。會(huì)不會(huì)有單一或系列的突破?或者將通過(guò)不懈、緩慢、穩(wěn)定的進(jìn)步取得進(jìn)步。我們從歷史中了解到，科學(xué)、工程和制造的進(jìn)步是由于兩者的結(jié)合。真正的問(wèn)題是兩種模式在開(kāi)發(fā)創(chuàng)新和使其成熟和應(yīng)用方面的相對(duì)權(quán)重。俗話說(shuō)，“只有時(shí)間會(huì)證明一切?！?