鋰離子電池被視為未來能量儲存的解決方案，并且已成為必不可少的，尤其是在電動汽車中。它們的關(guān)鍵優(yōu)勢在于它們能夠儲存大量能量，但仍然相對輕巧緊湊。然而，當(dāng)金屬鋰在充電期間形成和沉積時，它可導(dǎo)致電池壽命縮短甚至短路。慕尼黑工業(yè)大學(xué)(TUM)的科學(xué)家們現(xiàn)在已經(jīng)設(shè)法在不破壞電池的情況下進入電池的內(nèi)部工作。在這個過程中，他們已經(jīng)解決了所謂的鋰電鍍之謎。
手機，數(shù)碼相機，便攜式攝像機，筆記本電腦：它們均采用鋰離子電池供電。它們的特征在于高能量密度，同時保持小而輕，足以用于便攜式設(shè)備。“鋰離子電池的儲存能量是同等大小的鎳鎘電池的三到四倍，”哈比爾博士解釋說。中子源Heinz Maier-Leibnitz(FRM II)的科學(xué)家Ralph Gilles。即使溫度波動和長期儲存也不會對鋰離子電池造成問題。
這些優(yōu)點使鋰離子電池成為電動汽車的關(guān)鍵技術(shù)。在不久的將來，電動汽車將能夠保持自己對抗液體燃料驅(qū)動的運輸媒體 - 也就是可達到的距離。這將需要功能強大，安全且快速充電的電池。
鋰電鍍會導(dǎo)致短路
然而，一種先前已知但尚未被充分理解的現(xiàn)象阻礙了這一目標(biāo)：金屬鋰沉積或鋰電鍍，如其所稱。
簡而言之，鋰離子電池中的能量存儲通過以下原理工作：正電極(陰極)和負電極(陽極)都可以結(jié)合鋰離子。在充電過程中，感應(yīng)電場迫使離子從陰極移動到陽極。當(dāng)電池放電時，鋰離子移回陰極，在此過程中釋放能量。
鋰離子電池中的陰極包含鋰金屬氧化物，而電池陽極的標(biāo)準(zhǔn)材料是具有層狀結(jié)構(gòu)的石墨(碳)。在充電過程中，鋰離子存儲在這些層中。
然而，根據(jù)需要，偶爾鋰離子形成金屬鋰而不是嵌入陽極中。鋰沉積在陽極上并且不再完全可用于所述過程。結(jié)果是電池性能下降。在極端情況下，這甚至可能導(dǎo)致短路。此外，金屬鋰是高度易燃的。
使用中子作為探測器的非破壞性研究
迄今為止，在鋰電鍍過程中觀察工作的精確機制尚不可能。當(dāng)電池打開時，拉爾夫吉爾斯解釋說，你只能得到它目前狀態(tài)的快照。然而，金屬鋰的量永久變化。利用中子束，中子源Heinz Maier-Leibnitz(FRM II)的Veronika Zinth博士和電能儲存技術(shù)部的ChristianvonLüders能夠觀察電池內(nèi)部的過程而不會將其切開。
“與其他方法相比，利用中子衍射，我們可以更準(zhǔn)確地說明鋰電鍍何時以及如何發(fā)生，”Veronika Zinth解釋道。
研究人員在FRM II上使用材料研究衍射儀STRESS-SPEC，將充電和放電狀態(tài)的電池安裝到中子束中。入射中子束根據(jù)布拉格定律衍射并收集在探測器中。利用這些信號，研究人員能夠間接推斷出形成了多少金屬鋰。
更快的充電意味著更多的金屬鋰
研究的初步結(jié)果：
充電過程越快，形成的金屬鋰就越多。通常參與充電和放電過程的高達19%的鋰離子呈現(xiàn)金屬形式。(測量在-20攝氏度下進行)。
在快速再充電后的20小時靜止階段期間，一些金屬鋰與石墨反應(yīng)，作為鋰離子嵌入石墨層之間。它實際上是一個延遲，緩慢的充電過程。雖然，只有一部分鋰電鍍是可逆的。
低溫促進金屬鋰的形成。
科學(xué)家正在計劃進一步的實驗，以更多地了解鋰電鍍機制。結(jié)果可能有助于回答如何完全避免這種現(xiàn)象的問題。這也將涉及回答在鋰電鍍進入之前電池可以多快充電的問題。
該研究是德國聯(lián)邦教育和研究部(BMBF)ExZellTUM(電池電池Exellence中心)項目的一部分。ExZellTUM項目旨在開發(fā)新的能源存儲系統(tǒng)，以及用于存儲系統(tǒng)生產(chǎn)的新制造流程，形成策略和測試技術(shù)。該項目由四個合作伙伴組成：電能存儲系統(tǒng)部，機床和工業(yè)管理部，技術(shù)電化學(xué)部和中子源Heinz Maier-Leibnitz。