專題約稿|加州大學(xué)圣地亞哥分校-致力于打造未來的電池

——“鋰電檢測技術(shù)系列——形貌分析技術(shù)”專題征文

(作者：賽默飛世爾科技)

隨著世界努力減少對化石燃料的依賴，新一代的電池將發(fā)揮關(guān)鍵作用。通過使用合適的電池，我們將能夠平衡太陽能和風(fēng)能生產(chǎn)和消費(fèi)的高峰和低谷，從而存儲(chǔ)由太陽和風(fēng)產(chǎn)生的可再生能源。我們將能夠?yàn)殡妱?dòng)汽車配備更安全，更耐用的電池，使駕駛者一次充電可以長距離行駛，然后也可以更快地為這些電池充電。除此之外，我們也能夠?qū)⑹謾C(jī)，計(jì)算機(jī)和手表等便攜式消費(fèi)電子設(shè)備的使用時(shí)間增加，無需頻繁充電。

為了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，全球許多大學(xué)和企業(yè)都致力于材料科學(xué)的創(chuàng)新。其中一個(gè)專注于尖端電池研究的中心是加州大學(xué)圣地亞哥分校的可持續(xù)能源和能源中心 (Sustainable Power and Energy Center)。 在那里的研究人員正在探索使用新材料來實(shí)現(xiàn)電池突破。科學(xué)家們在進(jìn)行研究時(shí)，利用電子顯微鏡來探索電池材料之間在納米尺度上的相互作用，從而更好地理解電池性能隨時(shí)間衰減的原因。

鋰離子電池的工作方式很簡單：電池在充電狀態(tài)時(shí)，鋰離子填充石墨晶格形成陽極，氧化物構(gòu)成陰極。陽極和陰極由液體電解質(zhì)隔開，當(dāng)電池放電時(shí)，液體電解質(zhì)允許離子從陽極流到陰極，并且當(dāng)電池再充電時(shí)，鋰離子再從陰極回到陽極。

在鋰離子電池中，當(dāng)電池充放電時(shí)，鋰離子通過液體電解質(zhì)在陽極與陰極之間傳輸。

尋求更持久，更高能量密度的電池

加州大學(xué)圣地亞哥分校的研究人員正在改變電池不同部分所用的材料，目的是生產(chǎn)更高能量密度，更長使用壽命，并能在惡劣天氣條件下繼續(xù)使用的安全電池。

其中的一個(gè)研究方向是通過利用硅材料做為陽極來增加鋰離子電池的能量密度。硅的容量比石墨的容量大一個(gè)數(shù)量級，因此使用硅做為陽極材料可以使整體電池能量密度增加。不幸的是，因?yàn)楣璨牧显诔浞烹娺^程中會(huì)產(chǎn)生巨大體積變化從而導(dǎo)致SEI膜不穩(wěn)定以及材料粉化等問題，電池容量衰減很快。這些問題使得研究人員在設(shè)計(jì)充放電可逆的硅電極結(jié)構(gòu)方面具有困難的工程挑戰(zhàn)。 目前純硅陽極材料尚未商業(yè)化。通過利用Thermo Fisher Scientific電子顯微鏡在納米尺度上觀察硅顆粒在循環(huán)過程中結(jié)構(gòu)變化以及性能衰減的關(guān)聯(lián)性，研究人員正致力于設(shè)計(jì)能夠存儲(chǔ)更高能量密度的電動(dòng)汽車電池。

制造在零下的低溫環(huán)境工作的電池

另一個(gè)研究領(lǐng)域涉及開發(fā)一種在零下的溫度下繼續(xù)工作的電池。通過用液化氣體氟甲烷代替液體電解質(zhì)，研究人員能夠制造出在華氏-76 F 的低溫下工作的電池，然而鋰離子電池則為華氏-4 F。在研發(fā)這個(gè)電池的過程中，研究人員使用了包括Thermo Fisher Scientific掃描電子顯微鏡和FTIR等幾種材料表征方法。研發(fā)出的新的電池帶來了新的商機(jī)。 目前初創(chuàng)公司，South 8 Technologies，正在研發(fā)這樣的電池產(chǎn)品，使得在未來有可能制造出在極端寒冷的條件下運(yùn)行的電動(dòng)汽車。同時(shí)也預(yù)計(jì)它還將帶來海洋和太空探索的進(jìn)步。

上圖：Thermo ScientificTM Scios掃描電子顯微鏡

以上都是通過電子顯微鏡等表征手段來幫助推進(jìn)電池研究前進(jìn)的幾個(gè)例子。

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(tái)。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