可充电电池性能的途径的提高演示

可充电电池性能的途径的提高演示

为了设计更好的可充电离子电池，工程师和化学家合作将强大的新型电子显微镜技术与数据挖掘相结合，以直观地查明离子电池内化学和物理变化的区域。
为了设计更好的可充电离子电池，伊利诺伊大学香槟分校的工程师和化学家合作，将强大的新型电子显微镜技术与数据挖掘相结合，以直观地查明离子电池内化学和物理变化的区域。

由材料科学与工程教授 Qian Chen 和 Jian-Min Zuo 领导的一项研究首次在纳米尺度上绘制出可充电离子电池内部的变化区域——与目前的 X 射线和光学方法相比，分辨率提高了 10 倍或更多.

研究结果发表在《自然材料》杂志上。

该团队表示，之前了解电池材料工作和失效机制的努力主要集中在充电循环的化学效应，即电池电极化学成分的变化。

一种称为四维扫描透射电子显微镜的新电子显微镜技术使该团队能够使用高度聚焦的探针来收集电池内部工作的图像。

“在可充电离子电池的运行过程中，离子会扩散进出电极，导致机械应变，有时还会出现破裂故障，”博士后研究员和第一作者陈文祥说。“使用新的电子显微镜方法，我们可以首次捕获电池材料内部由应变引起的纳米级区域。”

Qian Chen 说，这些类型的微观结构异质性转变已在陶瓷和冶金领域得到广泛研究，但直到这项研究才被用于储能材料。

Zuo 说：“4D-STEM 方法对于绘制材料内部结晶度和畴取向的其他方式无法获得的变化至关重要。”

该团队将其 4D-STEM 观察结果与机械科学与工程学教授 Elif Ertekin 领导的计算模型进行了比较，以发现这些变化。

“结合数据挖掘和 4D-STEM 数据显示，随着应变纳米级域的发展，电池内部出现了成核、生长和聚结过程的模式，”Qian Chen 说。“使用材料科学与工程教授和研究合著者 Daniel Shoemaker 收集的 X 射线衍射数据进一步验证了这些模式。”

Qian Chen 计划通过制作这个过程的电影来进一步推进这项研究——她的实验室为此而闻名。

“这项研究的影响可以超越这里研究的多价离子电池系统，”材料科学与工程教授、材料研究实验室主任和该研究的合著者保罗布劳恩说。“概念、原理和支持的表征框架适用于各种锂离子和后锂离子电池和其他电化学系统中的电极，包括燃料电池、突触晶体管和电致变色。”