專題約稿|電池的多尺度分析對儲能研究的貢獻(xiàn)

——“鋰電檢測技術(shù)系列——成分分析技術(shù)”專題征文

(作者：賽默飛世爾科技)

從我們的手機(jī)和筆記本電腦到我們用于建筑和運(yùn)輸?shù)碾妱?dòng)交通工具，電池對我們的日常生活至關(guān)重要。與此同時(shí)，在我們通過引入更高效的電動(dòng)汽車和替代能源等方式來努力改善地球生活環(huán)境時(shí)，我們需要更好的新型電池材料來實(shí)現(xiàn)性能更高的電池最終目標(biāo)。這意味著我們需要構(gòu)建比目前市場上的電池和能量存儲設(shè)備具備更經(jīng)濟(jì)，輕便，緊湊，安全，耐用，易于充電和能量密集的特性電池產(chǎn)品。

利用電子顯微鏡，X射線斷層掃描，拉曼顯微鏡，X射線衍射，F(xiàn)TIR,，和XPS等技術(shù)，研究人員可以從毫米到納米級別對電池進(jìn)行多尺度的檢測，從而發(fā)現(xiàn)電池在充電和放電時(shí)性能衰減的原因。他們也正在學(xué)習(xí)如何設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)新電池時(shí)， 通過用不同的表征手段來檢查從原材料，電池元件到最終產(chǎn)品的各個(gè)環(huán)節(jié)，從而得到能夠承受極端溫度的更安全的電池。

圖：比較18650 鋰電池充放電前后Cu集流器在每個(gè)水平切片的形狀

上圖：通過自動(dòng)的圖像處理來確定Cu集流器在每一個(gè)水平切片的位置，可以定量的計(jì)算出電池中心部分由于充放電導(dǎo)致電極膨脹而變小。

上圖：Thermo ScientificTM HeliScan microCT

18650型鋰電池被廣泛應(yīng)用于手電筒，電動(dòng)香煙甚至一些電動(dòng)汽車等各種電池供電設(shè)備。通過使用Thermo ScientificTM HeliScan microCT對這種電池在充放電前后進(jìn)行3D掃描和成像，研究人員可以定量的研究電池在循環(huán)時(shí)內(nèi)部的變化。通過對3D數(shù)據(jù)的定量分析，我們發(fā)現(xiàn)在電池充放電后，電池內(nèi)部的電極片體積膨脹，中心桿周圍的區(qū)域減小。 這種體積膨脹可以在電池單元中產(chǎn)生壓力。 如果在電池設(shè)計(jì)中沒有考慮到這種效果，電池單元中的壓力可能會導(dǎo)致電池短路，從而可能導(dǎo)致災(zāi)難性后果。 因此在設(shè)計(jì)電池的過程中， 電池制造商對此進(jìn)行量化非常重要。

下一代電池的發(fā)展對我們的生活影響將是深遠(yuǎn)的。電動(dòng)汽車一次充電就可以行駛更長的距離，充電過程需要幾分鐘而不是幾小時(shí)。為我們的手機(jī)和筆記本電腦供電的電池功能將更強(qiáng)大，使用壽命更長，技術(shù)公司也可以將電池使用在更加復(fù)雜的應(yīng)用上，例如虛擬現(xiàn)實(shí)。電動(dòng)工具將持續(xù)更長時(shí)間并具有更強(qiáng)的輸出電流，使工人能夠在建筑行業(yè)中執(zhí)行更高能耗的任務(wù)。 同時(shí)，下一代電池將能夠存儲更多來自太陽能電池板和風(fēng)力渦輪機(jī)的能量，從而為我們的家庭和辦公室提供更高效的電力。

今天的大部分研究都集中在通過了解鋰離子電池失效的原因來改善鋰離子電池的性能。隨著具有液體電解質(zhì)的鋰離子電池接近最高性能，科學(xué)家們正在探索能量密度更高的材料以及儲能器件，例如固態(tài)電池，從而實(shí)現(xiàn)能量儲存方面的進(jìn)一步突破。

使用不同的分析技術(shù)在多尺度對電池以及材料進(jìn)行研究將是更好地理解電池衰減機(jī)理和幫助設(shè)計(jì)下一代新電池的關(guān)鍵。

附：關(guān)于鋰電系列專題約稿

近十年間，在能源技術(shù)變革以及新興科技的帶動(dòng)下，全球鋰離子電池產(chǎn)量進(jìn)入飛速增長期，根據(jù)公開數(shù)據(jù)，預(yù)計(jì)2018年全球鋰電池增速維穩(wěn)，產(chǎn)量達(dá)155.82GWH，市場規(guī)模達(dá)2313.26億元。中國是鋰電池重要的生產(chǎn)國之一，2018年預(yù)計(jì)全國鋰電池產(chǎn)量達(dá)121億只，增速22.86%。

鋰離子電池產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，也為鋰離子電池檢測領(lǐng)域帶來新的機(jī)遇。隨著鋰離子電池基礎(chǔ)科學(xué)研究儀器水平不斷提升，幾乎各類先進(jìn)科學(xué)儀器都逐漸在鋰離子電池的研究中出現(xiàn)，且針對鋰離子電池的研究、制造也開發(fā)了許多鋰電行業(yè)專用的儀器設(shè)備。

為促進(jìn)中國鋰電檢測產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展，91儀器信息網(wǎng)結(jié)合鋰離子電池檢測項(xiàng)目品類，將從2018年12月起策劃組織系列鋰電檢測系列專題報(bào)道，為專家、儀器設(shè)備商、用戶搭建在線網(wǎng)上展示及交流平臺。鋰電檢測系列專題內(nèi)容征集進(jìn)行中：【征集申報(bào)鏈接】               

系列序號

鋰電檢測技術(shù)系列專題主題

專題上線時(shí)間

1

鋰電檢測技術(shù)系列——電性能檢測技術(shù)

2019年1月【鏈接】

2

鋰電檢測技術(shù)系列——成分分析技術(shù)

2019年3月【鏈接】

3

鋰電檢測技術(shù)系列——形貌分析技術(shù)

2019年

4

鋰電檢測技術(shù)系列——晶體結(jié)構(gòu)分析技術(shù)

5

鋰電檢測技術(shù)系列——X射線光電子能譜分析技術(shù)

6

鋰電檢測技術(shù)系列——安全性和可靠性分析儀器及設(shè)備