表征技术已经达到了可以实时监测电池内部情况的地步。这是一个更好的电池和更可持续的世界的方法。

电池仍然是用于存储可再生能源、为现代电动汽车提供动力以及支持消费者对便携式个人电子产品和可穿戴设备需求的领先技术。尽管在过去的十年中,技术取得了令人难以置信的进步,但世界各地的研究人员不断面临着创新下一代高性能电池的挑战,这些电池更具有成本效益,寿命更长,充电更快,更安全,也更环保。

领先的是锂离子可充电电池,该电池首次开发于20世纪下半叶,得到了广泛应用,其开发者在2019年获得了诺贝尔化学奖。随着研究人员努力生产更好的材料,旨在改善每个可充电电池的组件,下一步是将它们放入工作电池进行评估。传统的做法是先制造一个电池,然后测量它的循环性能、放电率和能量密度等。这种方法的缺点是,它不允许识别对电池性能的任何变化负责的特定组件,并可能大大减慢创新。

在电池内部,量热计甚至可以从最小的反应中测量非常、非常小的热量

然而,随着表征技术的日益成熟,研究人员可以更彻底地分析整个工作电池及其单个组件,使他们能够更精确地监测电池随时间推移的性能和在预期的运行条件下的性能。更彻底地分析电池及其各个组成部分的能力使化学家能够有意地选择最好的配方在电池内部使用,有助于在开发阶段的早期优化它们的性能。

电化学反应可以产生热量,而这些正在进行的反应的热力学是电池研究人员的关键工具。TA Instruments是Waters的子公司,它有一个微型热量计家族就可以做到这一点。该家族的最新成员,TAM IV microXL等温微量热计,提供了研究人员需要的灵敏度水平,Neil Demarse说,TA仪器的微量热测量产品经理。整个电池可以放入仪器中进行测试。Demarse说:“这是为数不多的可以测试整个电池的仪器之一,它只需要安装在设备内部就可以了。”“一旦进入,量热计就能测量出非常非常小的热量,即使是最微小的反应,也能让我们了解电池输出了多少能量。”

Waters TAM IV系列微量热量计

资料来源:©Waters / TA Instruments

TAM IV系列微量量热计

Demarse解释说,收集的数据可以让研究人员在研发阶段验证电池的质量和性能,所有这些都是优化新电池配方和测试组件兼容性的关键。根据Demarse的说法,TAM的微热量计组合已经被明尼苏达州圣保罗3M公司的研究人员用于跟踪锂离子电池袋内的寄生反应。通过测试这些电池系统中的热流,并改变电解质中使用的添加剂,该团队能够筛选出有助于稳定电池并使其更高效的最佳添加剂。Demarse说,在这个过程的早期对电池进行优化最终会带来更多的好处,并使电池从长远来看更加安全。

能够在电池的实际实时电化学循环中使用AFM是一个了不起的成就

在最近的一次网络研讨会来自cycllikal的Larry Krause和Vincent Chevrier与Chemistry World合作,就如何使用电化学和热信号的精确组合来量化寄生反应、识别相变、熵事件甚至系统级事件(如锂电镀)提供了深入的了解。这些见解能够更准确地预测电池寿命,对电池材料有新的理解,以及更好的电池设计。

牛津仪器密码VRS1250

牛津仪器密码VRS1250

资料来源:©Waters / Oxford Instruments

超高分辨率,快速扫描原子力显微镜系统

英国牛津仪器公司(OI)开发了一种Cypher原子力显微镜(AFM),可以在手套箱内密封的电化学电池中操作。这种AFM使美国IBM阿尔马登研究中心的Kumar Virwani及其同事能够监测下一代最有前途的电池技术之一——锂氧电池内部的电化学反应。能够在电池的实际实时电化学循环中使用AFM是一个了不起的成就。AFM电化学电池完全密封在手套箱中,电池中的氧气不会逃逸。经过超过10个小时的循环,AFM能够显示锂离子开始溶解并四处移动。然后,一个界面层生长,覆盖在电极上,直到充电周期进行到一半时,它开始分解。这一原位成像是关键的证据,证明电池很可能在多次充放电循环中存活下来。AFM是进行这种实时监测的唯一方法,并将成为电池开发工具箱中的另一个重要工具。

质谱分析也可以帮助完善整个电池系统。随着电池的使用,它们会老化。随着年龄的增长,就像人类开始长皱纹一样,它们开始退化,开裂,表现不佳。Waters超灵敏飞行时间质谱仪及其色谱功能使研究人员能够观察电池寿命每个阶段的老化过程。2019年发表的一项使用Waters ACQUITY UPLC/ APGC Xevo G2-XS QToF仪器的研究强调了该系统如何用于帮助表征袋电池中的变化,该袋电池含有一种有前途的电极材料——富镍层状氧化物和石墨SiOx-超过其使用寿命。1

在什么情况下可持续技术会变得不可持续?

Waters Xevo G2-XS QTof

Waters Xevo G2-XS QTof质谱仪

来源:©水域

Xevo G2-XS QTof(四极飞行时间)质谱仪帮助研究人员了解不同的电解质添加剂如何随着时间的推移影响电池性能。

分析结果在电池寿命的四个不同阶段进行,探究电解液中发生了什么。当锂离子电池被使用时,阳极周围会形成一层,这会消耗掉一部分电解质。这一层,即SEI,或固体电解质间相层,可以稳定系统,但也可以使其性能急剧下降。更好地理解SEI和阳极年龄如何最终将允许更持久的电池的开发。

质谱分析也在了解不同的电解质添加剂如何影响电池性能方面发挥作用。例如,在2018年的一项研究中,2Waters Xevo G2-XS QTof跟踪了使用不同添加剂的电解质有机成分的变化,再次提供了对每种成分形成的SEI类型的深入了解。在开发过程中这种深入的特性将允许在电池开发的早期阶段进行优化。

随着越来越多的电池被制造出来,资源将不可避免地变得稀缺。考虑到这一点,我们问自己——在什么情况下可持续技术会变得不可持续?除非每个电池都被回收利用,否则用可再生能源替代化石燃料的影响可能会开始显现出黑暗的一面。因此,回收将是未来电池驱动的可持续社会的关键一步。

当你开始开发续航时间更长的电池时,材料必须使用更长时间

Neil Demarse, TA仪器公司微量热法产品经理

为了帮助回收,特征是关键。2018年,中国的一个团队开展了工作,展示了帮助贵金属回收的一个例子。3.由昆明理工大学的侯红英领导的这个团队,希望找到一种回收锂箔的方法,这种锂箔用于下一代电池的原型和开发——固态锂-空气电池和锂-硫电池。不可避免的是,随着一项新技术的发展,会有大量的浪费。一旦这些电池完全商业化,找出回收这些原型的最佳方法将有助于更大规模的回收工作。侯的团队从他们的实验硬币电池中取出箔片,并迅速将它们溶解在去离子水中。进一步处理后,真空干燥并在炉中煅烧,留下由LiFePO组成的黑色粉末4/ C。使用一系列的技术,包括OI公司基于SEM的微分析设备,对这种粉末进行了分析,并对其进行了无数纳米和微观结构的研究。该团队随后将这种粉末用作另一个电化学电池的阴极,取得了有希望的结果。

这种循环经济的方法,在高科技特征和其他现代分析工具的帮助下,无疑将成为电池发展过程的一部分,以维持供应。

特斯拉去年宣布,他们计划为他们的下一套电动汽车推出一种百万英里电池。细节仍然是秘密,但毫无疑问,一些有趣的材料科学将涉及。德马泽说:“当你开始开发续航时间更长的电池时,材料必须使用更长时间。”在复杂的表征工具的帮助下,这些材料将开启单次充电的能力,存储更多的能源,并引导我们走向一个更可持续的社会。

免费资源

我们与沃特斯公司和牛津仪器公司合作,很高兴提供两组免费的锂离子电池资源。

锂离子电池电解液设计

  • 用等温微量热法测定电解质添加剂对锂离子电池的影响
  • 通过UPLC-MS和APGC-MS辅助锂离子二次电池电解质设计

提高锂离子电池的性能

  • 从矿山到生产:锂离子电池原料的污染
  • NCM正极材料的晶粒尺寸和织构测量
  • 使用AFM改进电池性能