Toby Bond 在 BMIT 光束线上调整电池样本。
加拿大光源 (CLS) 研究员 Toby Bond 使用X射线来帮助设计具有更长寿命的强大电动汽车电池。他的研究发表在《电化学学会杂志》上，展示了电池的充电/放电循环如何导致物理损坏，最终导致能量存储减少。这项新工作指出了电池材料中形成的裂缝与携带电荷的重要液体耗尽之间的联系。
Bond 使用萨斯喀彻温大学加拿大光源的 BMIT 设施对电池内部进行详细的CT扫描。他与 Dalhousie 大学的 Jeff Dahn 博士合作，专门研究电动汽车的电池，其研究任务是将尽可能多的能量装入轻量级设备中。
“包装更多能量的一个大缺点是，通常，你包装的能量越多，电池退化的速度越快，”邦德说。
在锂离子电池中，这是因为充电以物理方式迫使电极材料中其他原子之间的锂离子，将它们推开。添加更多电荷会导致材料更多地生长，当锂离子离开时，材料会收缩。在这种生长和收缩的许多循环中，材料中开始形成微裂纹，慢慢降低其保持电荷的能力。
“它最终会导致电池中的材料从内到外崩溃。如果它变得足够糟糕，它可能导致电池的某些部分实际上在其内部剥落，”邦德说。“如果它在电池内部造成大规模损坏，那也可能成为一个安全问题。”
二维横截面取自 SC-NMC532/AG 电池的CT扫描，这些电池在 40 °C 下循环两年至 4.2 V 的 UCV，使用循环存储方案。每个单元格的标签表示在 C/3 和 100% DoD 下执行的循环对之间的存储时间(以小时为单位)。电池 STO-0 连续循环(零小时存储)。图片来源：电化学学会杂志(2022 年)。DOI: 10.1149/1945-7111/ac4b83
长期以来，研究这个问题，以及涂层和其他处理方法如何有效地阻止它，在该领域一直很重要。传统上，通过将电池拆开并在电子显微镜下观察单个颗粒来研究电池中形成的裂纹。这会破坏电池，因此研究人员无法保留更大的结构并查看这种破裂可能对电池的其余部分产生什么其他影响。
通过在 CLS 上使用X射线成像，Bond 说研究人员可以在上下文中研究这些影响，并了解开裂如何导致电池其余部分发生变化。在这项研究中，研究人员发现，随着电池中的微裂纹越来越严重，电池中的液体被吸入裂纹之间的额外空间，这可能没有足够的液体流动。
“这是第一次有人能够捕捉到在工作电池中同时发生的所有这些影响，”邦德说。“这种液体电解质的消耗会导致严重的问题，因为电池的任何部分如果没有得到足够的液体，就会基本上停止工作。”
在这项研究中，Bond 及其同事研究了多年来连续充电和放电到不同水平的电池，以及根本没有使用过的其他相同的电池。他们使用 BMIT 明亮的聚焦光收集的3D X射线扫描使他们能够准确地看到不同材料如何受到使用的影响，无论是在微观尺度上还是在整个电池中。
研究小组发现，对电池进行少量放电会比完全放电造成的劣化要小。这可能是因为随着时间的推移，较小的电荷变化会对电池电极材料造成较小的物理应力。对于长途运输、电动飞机以及使用停放的电动汽车来存储和向电网输送能量等新应用，了解这种效应非常重要。这些情况通常需要在充电之前使用更多的电池全部容量。
“随着我们开始用电动汽车取代越来越多的内燃机汽车，了解电池在不同条件下的表现非常重要，”邦德说。“解决这些问题非常令人兴奋，当我们尝试新方法时，我们真的需要像同步加速器这样的工具来了解电池内部发生的细节。”
