據(jù)外媒報(bào)道，影響消費(fèi)者接受電動(dòng)汽車(chē)(EV)的最大因素之一是充電所需的時(shí)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(gè)小時(shí)或一整夜才能充滿(mǎn)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(zhǎng)途旅行中找到公共充電站并等待。
為什么電池充滿(mǎn)電需要這么長(zhǎng)的時(shí)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(jì)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〉?、?jiān)硬的樹(shù)狀結(jié)構(gòu)--被稱(chēng)為樹(shù)突--可以生長(zhǎng)在鋰電池內(nèi)部，當(dāng)快速充電時(shí)會(huì)引發(fā)電池內(nèi)部短路。
為了解決對(duì)更實(shí)用的鋰離子電池的需求，來(lái)自加州大學(xué)圣地亞哥分校的研究人員跟橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(ORNL)的科學(xué)家合作，他們?cè)谝环N新型材料上進(jìn)行中子散射實(shí)驗(yàn)，這種材料可以用來(lái)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(bào)告已發(fā)表在《自然》上。
“制造鋰離子電池陽(yáng)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(huì)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(chǔ)能能力較低，”這項(xiàng)研究的論文第一作者Haodong Liu說(shuō)道，“我們開(kāi)發(fā)的無(wú)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(dòng)汽車(chē)和電動(dòng)工具，包括能量存儲(chǔ)和放電速度。
在測(cè)試中，巖鹽陽(yáng)極材料能在短短20秒內(nèi)提供超40%的能量容量?？焖俪浞烹娭猿蔀榭赡苁且?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(gè)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(duì)材料施加電壓時(shí)離子的行為，”Liu說(shuō)道，“中子可以很容易地跟蹤巖鹽陽(yáng)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(guān)結(jié)構(gòu)而設(shè)計(jì)。裝載框架、熔爐、電池循環(huán)器和其他用于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、穩(wěn)態(tài)或時(shí)間解析測(cè)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(jí)中子散射儀器，”ORNL的中子散射科學(xué)家Ke An說(shuō)道，“它的開(kāi)放式設(shè)計(jì)允許測(cè)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(guān)察它們的內(nèi)部特性。該儀器為電池材料合成過(guò)程中的儲(chǔ)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(yáng)極可以循環(huán)超10000次，容量衰減可以忽略不計(jì)。這種持久性對(duì)于消費(fèi)者應(yīng)用程序非常重要。
Liu說(shuō)道：“這項(xiàng)研究是我們研究小組和ORNL長(zhǎng)期合作的一部分，（截止目前）已經(jīng)發(fā)表了20多篇同行評(píng)審的期刊論文。ORNL的中子科學(xué)理事會(huì)的工作人員跟我還有我的同事密切合作以此來(lái)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(guó)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(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家及能源部勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家將展開(kāi)X射線(xiàn)衍射和X射線(xiàn)吸收研究，進(jìn)而揭示材料在充放電過(guò)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(hù)一樣，加州大學(xué)圣地亞哥分校保留其對(duì)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的任何知識(shí)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T(mén)yfast的公司，該公司計(jì)劃首先瞄準(zhǔn)電動(dòng)公交車(chē)和電動(dòng)工具市場(chǎng)。
