研究人员利用高能X射线绘制性能变化图 以确定锂金属电池失效原因

盖世汽车讯 据外媒报道，科学家们发现领先锂金属电池失效的主要原因。对于远距离电动汽车来说，这一发现具有重要意义。研究人员利用高能X射线，跟踪电池中数千个不同的点，观察由循环引起的变化，并绘制了性能变化图。在每一个点上，都使用X射线数据来计算正极材料的数量及其局部电荷状态。通过这些研究结果，并结合互补式电化学测量，从而确定在多次充放电循环后导致电池容量衰减的主要机制。据介绍，电池失效的主要原因在于液体电解质耗尽。在每个充放电周期中，电解液负责在充电电池的两个电极之间传输锂离子。

（图片来源：布鲁克海文实验室）

由美国能源部布鲁克海文国家实验室化学部和石溪大学化学系联合任命的通讯作者Peter Khalifah表示：“这种电池使用锂金属做负极，而不是目前用的石墨材料，其最大优势在于能量密度很高。增加电池材料在一定质量下可以储存的能量，是延长电动汽车续航里程的最好办法。”然而，要让锂金属负极在连续循环充电电池中良好工作，同时保持高能量密度，非常具有挑战性。锂金属很活泼，在电池循环过程中，越来越多的锂会发生降解，并逐渐消耗电池的其他关键部件，比如液体电解质。

2020年，Battery500联盟的研究人员将电池循环寿命提高到400次。为了满足电动汽车的需求，该机构寻求实现1000次或更长的寿命。研究人员表示，为了制造出循环时间更长的高能量密度锂金属电池，需要了解真实的“袋状电芯”电池的失效机制。

袋状电芯是一种密封的矩形电池，在工业应用中得到广泛使用。比起为家用电子产品供电的圆柱形电芯，能够更有效地利用空间，因此是车辆封装的最佳选择。在这项研究中，美国能源部太平洋西北国家实验室（PNNL）的科学家，利用PNNL的先进电池设施（ABF），制造出多层袋状电芯几何结构锂金属电池原型。

接下来，美国能源部爱达荷州国家实验室(INL)的科学家对其中一个多层袋状电芯进行了电化学测试。测试结果显示，在最初的170个周期中，只有15%的电芯出现容量损耗。然而，在接下来的25个周期中，有75%出现容量损耗。为了解末期容量衰减的原因，他们从电芯的七个正极层中提取其中一层，并将其送到布鲁克海文实验室，利用国家同步加速器光源II(NSLS-II)的X射线粉末衍射(XPD)光束线进行研究。