據外媒報道，影響消費者接受電動(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。這迫使司機要么限制出行到遠離他們家庭充電器的地方，要么在長(cháng)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(cháng)的時(shí)間，即使是那些用于手機和筆記本電腦等小型設備的電池也是如此？主要原因是設備及其充電器的設計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，有助于防止火災甚至爆炸，因為微小的、堅硬的樹(shù)狀結構--被稱(chēng)為樹(shù)突--可以生長(cháng)在鋰電池內部，當快速充電時(shí)會(huì )引發(fā)電池內部短路。
為了解決對更實(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)嶺國家實(shí)驗室(ORNL)的科學(xué)家合作，他們在一種新型材料上進(jìn)行中子散射實(shí)驗，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，以及鈦酸鋰--能快速充電，不太可能引起火災但儲能能力較低，”這項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用中表現出了理想的性能，如電動(dòng)汽車(chē)和電動(dòng)工具，包括能量存儲和放電速度。
在測試中，巖鹽陽(yáng)極材料能在短短20秒內提供超40%的能量容量?？焖俪浞烹娭猿蔀榭赡苁且驗閹r鹽材料可以在其晶體結構內的空位內循環(huán)兩個(gè)鋰離子。
“在ORNL使用中子衍射技術(shù)使我們能理解當我們對材料施加電壓時(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、殘余應力、織構和工程材料的微觀(guān)結構而設計。裝載框架、熔爐、電池循環(huán)器和其他用于現場(chǎng)試驗、穩態(tài)或時(shí)間解析測量的輔助設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)放式設計允許測試大樣本，甚至是正常運轉的機械設備如運行中的內燃機，并觀(guān)察它們的內部特性。該儀器為電池材料合成過(guò)程中的儲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。這種持久性對于消費者應用程序非常重要。
Liu說(shuō)道：“這項研究是我們研究小組和ORNL長(cháng)期合作的一部分，（截止目前）已經(jīng)發(fā)表了20多篇同行評審的期刊論文。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如何使用儀器進(jìn)行實(shí)驗和解釋數據。”
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家實(shí)驗室進(jìn)行了高分辨率顯微鏡研究以解決結構變化。
一旦這些實(shí)驗和ORNL的實(shí)驗完成，阿貢國家實(shí)驗室的科學(xué)家及能源部勞倫斯伯克利國家實(shí)驗室的科學(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)程中的晶體結構變化和電荷補償機制。
像大多數用戶(hù)一樣，加州大學(xué)圣地亞哥分校保留其對數據和實(shí)驗過(guò)程中產(chǎn)生的任何知識產(chǎn)權的權利。為了將他們的發(fā)現商業(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，該公司計劃首先瞄準電動(dòng)公交車(chē)和電動(dòng)工具市場(chǎng)。
