中子成像技術：追蹤電池電極中的鋰離子！

導讀

據美國弗吉尼亞大學官網近日報道，該校研究人員正在橡樹嶺家實驗室採用中子成像技術，探查鋰離子電池並深入理解電池材料和結構的電化學特性。

背景

到2023年，鋰離子電池有望擁有470億美元的市場價值。鋰離子電池已經廣泛應用於諸多領域，因為它們可提供相對較高的能量密度（存儲容量），較高的工作電壓，較長的保存期限，較少的「記憶效應」。記憶效應，是指可充電電池的最大容量由於之前使用中的不完全放電而減少。

諾基亞手機的鋰離子電池（圖片來源：維基百科）

Nissan Leaf 汽車的鋰離子電池組（圖片來源：維基百科）

筆記本電腦的鋰離子電池（圖片來源：維基百科）

然而，安全性、充放電循環、預期使用壽命等因素持續限制了鋰離子電池在電動汽車等重型應用中的效率。

創新

近日，美國弗吉尼亞大學工程學院的研究人員們正在橡樹嶺國家實驗室（ORNL）採用中子成像技術，探查鋰離子電池並深入理解電池材料和結構的電化學特性。他們的研究發表在《電源（Power Sources）》期刊上。在研究中，他們專註於採用兩種電活性材料「鈦酸鋰和鋰鈷氧化物」的薄燒結與厚燒結樣本，追蹤了鋰離子電池電極中的鋰化(lithiation)和脫鋰(delithiation)過程，或者說充電與放電過程。

（圖片來源：ORNL/Genevieve Martin）

技術

理解鋰是如何在電池電極中運動的，對於設計以更快速度充放電的電池來說很重要。在一些電池中，這是一個最緩慢的過程。這意味著，提升通過電極的鋰運動將使電池的充電速度變快許多。

美國弗吉尼亞大學工程學院化學工程系副教授加里·柯寧（Gary Koenig）表示：「當電極相對較厚時，鋰離子通過多孔材料和隔膜結構的輸運，限制了充放電速率。為了開發新方法以改善通過電極中電解質填充的多孔空隙區的鋰離子輸運，我們首先需要能在充放電過程中，追蹤電池中的離子輸運和分布。」

柯寧稱，其他的技術例如高解析度X射線衍射，可提供電化學過程期間詳細的結構化數據，但是這種方法通常讓相對較大的材料體積變得平均化。類似地，X射線相位成像能使鋰電池電解質中的鹽濃度變得形象化，但是這項技術需要特殊的光譜化學單元，並且只能訪問電極區域之間的成分信息。

為了獲取更大面積的詳細信息，研究人員採用位於橡樹嶺家實驗室高通量同位素反應堆的冷中子成像束線中的中子，開展他們的研究。

柯寧研究小組的研究生、論文領導作者聶子揚（音譯）表示：「鋰對於中子來說具有很大的吸收係數，這意味著通過材料的中子對於鋰濃度高度敏感。我們展示了我們可以採用中子射線照相法，追蹤鋰電池內部薄與厚的金屬氧化物正極中的原地鋰化反應。因為中子的穿透性高，所以我們無需為了分析來定做電池，就能跨越包含電極和電解質的整個活性區域來追蹤鋰。」

（圖片來源：參考資料【1】）

對於幫助理解不均勻性（機械、結構、輸運和動力學特性的局部變化）對電池壽命和性能產生的影響來說，比較厚與薄的電極中的鋰化過程很有必要。局部不均勻性也會帶來不均勻的電池電流、溫度、電荷狀態和老化。通常來說，隨著電極厚度增加，不均勻性對於電池性能產生的不利影響也會增加。但是，如果較厚的正負極在電池中的應用不會影響其他因素，那麼這將有利於提升能量存儲容量。

對於初始實驗來說，薄的鈦酸鋰電極樣本的厚度為0.738毫米，鋰鈷氧化物電極的厚度為0.463毫米，而厚的鈦酸鋰和鋰鈷氧化物電極的厚度分別為：0.886毫米與0.640毫米。

價值

柯寧表示：「我們當前的目標是開發一個模型，以幫助我們理解如何改變電極的結構，例如改變材料的朝向或者分布，來改善離子輸運特性。通過不同的時間點，對於每個樣本進行成像，我們可以構造出鋰分布的二維圖像。未來，我們計劃在中子束中旋轉我們的樣本，提供可以更詳細地展示關於不均勻性如何影響離子輸運的三維信息。」

關鍵字

鋰電子電池、電極、成像

參考資料

【1】Ziyang Nie, Patrick McCormack, Hassina Z. Bilheux, Jean C. Bilheux, J. Pierce Robinson, Jagjit Nanda, Gary M. Koenig. Probing lithiation and delithiation of thick sintered lithium-ion battery electrodes with neutron imaging. Journal of Power Sources, 2019; 419: 127 DOI: 10.1016/j.jpowsour.2019.02.075

【2】https://engineering.virginia.edu/news/2019/04/through-thick-and-thin-neutrons-track-lithium-ions-battery-electrodes

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！