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為了制造適合電動汽車、移動設(shè)備和可再生儲能的新型電池，研究人員探索過新材料、新設(shè)計、新配置和新化學(xué)。然而，有一個方面一直被忽略了，即所使用金屬的紋理(texture)。
芝加哥大學(xué)普利茲克分子工程學(xué)院(UChicago PME)Liew Family分子工程教授Shirley Meng表示：“像鋰和鈉這樣的軟金屬具有優(yōu)良的性能，可用作電池陽極(負(fù)極)，其中鋰被視為未來高能充電電池的終極陽極材料。但在了解晶粒取向(也稱為紋理)如何影響可充電金屬電池性能方面，這還存在差距。”
據(jù)外媒報道，Meng教授的儲能與轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)室(Laboratory for Energy Storage and Conversion)和行業(yè)合作伙伴賽默飛世爾科技(Thermo Fisher Scientific)突破了這一障礙，證明改善金屬的紋理可以大大提高性能。
芝加哥大學(xué)普利茲克分子工程學(xué)院研究副教授Minghao Zhang表示：“在這項(xiàng)研究中，我們發(fā)現(xiàn)在鋰金屬和集電器之間添加一層薄薄的硅，有助于形成所需的紋理。這一改變將使用鋰金屬的全固態(tài)電池的速率能力提高近十倍。”
調(diào)整紋理
電池陽極的理想紋理是使原子能夠沿表面快速移動，這有利于電池更快地充放電。Zhang表示：“我們認(rèn)識到軟金屬的表面能差異確實(shí)可以改變其紋理化方式。鋰或鈉金屬依靠這些紋理來獲得有利的速率能力，該團(tuán)隊想知道調(diào)整軟金屬的紋理是否可以提高功率密度。”
這方面的研究需要克服使用顯微鏡的障礙。為了研究這種材料，該團(tuán)隊將在等離子體聚焦離子束掃描電子顯微鏡(PFIB-SEM)下進(jìn)行的銑削與電子后向散射衍射(EBSD)映射相結(jié)合，利用這兩種技術(shù)以新的方式來研究紋理。
賽默飛世爾科技的高級市場開發(fā)經(jīng)理Zhao Liu表示：“收集軟金屬的紋理信息具有挑戰(zhàn)性，主要是由于難以接近感興趣的區(qū)域，以及獲得鋰和鈉金屬的反應(yīng)性。PFIB-EBSD組合非常適合這項(xiàng)研究，因?yàn)镻FIB可以有效接近電池堆中感興趣的區(qū)域，從而產(chǎn)生缺陷最小化的高質(zhì)量表面，而EBSD可以提供軟金屬上的詳細(xì)紋理信息。”
該團(tuán)隊已與LG新能源(LG Energy Solution)的前沿研究實(shí)驗(yàn)室( Frontier Research Laboratory)達(dá)成合作，該實(shí)驗(yàn)室致力于將該技術(shù)商業(yè)化。LG新能源高級研究員Jeong Beom Lee表示：“LG新能源積極尋求研究合作，以在快速發(fā)展的電池市場中保持領(lǐng)先地位。隨著對電動汽車和能源存儲的需求持續(xù)增長，我們認(rèn)識到，將我們的制造專業(yè)知識與大學(xué)創(chuàng)新研究結(jié)合起來，以開發(fā)下一代電池技術(shù)，這具有重要意義。”
研究人員的下一個挑戰(zhàn)是將測試壓力從5MPa降至1 MPa，這是目前商用電池的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。他們還計劃研究紋理對鈉的影響，長期以來Meng一直在研究將鈉作為成本低且易獲得的鋰替代品。
Zhang表示：“現(xiàn)在我們了解了軟金屬中紋理的形成方式，預(yù)測金屬鈉更傾向于具有適合原子快速擴(kuò)散的紋理。這意味著在全固態(tài)電池中使用鈉作為電池陽極，可能會為未來儲能帶來重大突破。”
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