锂电池研发的“秘密武器”【GDS微课堂-04】

2023-11-10 15:04:22, HORIBA HORIBA科学仪器事业部

现代人什么时候最没有安全感？

当然是手机没电的时候！

当手机提醒电量不足时，

仿佛生命敲响了倒计时警钟！

图片来源：Pixabay

随着智能手机的功能不断增加，手机电池的续航能力已经不能满足大家的要求，此外新能源汽车、智能电网等新兴产业发展也对电池性能提出了更高的要求。

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如何让锂电池有更大容量，更长寿命，更高安全性，成为了科学家和厂家研究的重点和热点。

那么，你知道在锂电池研发中，怎样对它的性能进行测试和改进吗？

接下来，Follow Me! 一起来看看如何利用GDS如何对锂电池进行性能测试和改进。不过，在这之前，我们需要先知道锂电池是如何工作的。

1、锂电池的工作原理

充电

锂电池充电时，电池正极会跑出很多锂离子，锂离子经过电解液跑到负极，并迅速抢占座位——钻入负极的微孔中，成功抢占座位的锂离子越多，就说明充电容量越高。

放电

同样的道理，在电池放电时（也就是我们使用电池时），钻入负极微孔中的锂离子就会重新跑回正极。回到正极的锂离子越多，表示放电容量会越高，也就是我们通常说的电池容量越高。

简单来说，电池充放电其实就是锂离子在正极与负极间来回跑步的过程，跑到终点站的锂离子越多，代表电池容量越高，可使用时间越长。

2、用GDS寻找消失的锂离子

了解了上述原理后，就不难理解，锂电池在使用一段时间后，充电越来越频繁，放电时间越来越短，本质原因是来回奔跑的锂离子数量减少了，那么这些锂离子是如何消失的呢？

这就需要用GDS技术来一探究竟了。

我们利用GDS测定了单次充电和单次放电后的锂电池里，主要元素在不同深度的浓度变化（整个反应贯穿阳极镀层60微米）。如下图：

锂电池充电、放电后阳极主要元素随深度的变化（GDS）

通过研究这些变化，我们发现锂电池在充、放电过程中会有副反应发生。副反应会在锂电池阳极表面形成副产物导致反应电阻增加，而使得锂电池的功率衰退。也就是说锂离子会因为副反应而减少，从而影响锂电池的性能。

3、GDS参与锂电池改性过程

除了电池容量外，温度性能也是衡量锂电池好坏的重要因素。

冬季电动汽车续航的明显下降，一台普通的电动小轿车，即使不开空调，100公里的耗电量也会达到15kWh以上。另外，北方同学应该也遇到过冬天手机掉电严重的情况。

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而在极高温度的环境，例如夏季的车内，也有出现手机屏幕故障或者爆炸的情况。

有没有办法能够改善锂电池在低温或高温环境下使用性能呢？

有一种方式是在电池阳极材料表面涂覆一种新的镀层材料磷酸镧，为阳极表面改性来改善电池性能，那它的效果如何呢？

下面的两张图是GDS对没有涂覆磷酸镧层的锂电池性能检测结果，上面的图表示正常情况下镀层元素（Ni,Co,Mn）的变化趋势，下图则是环境变化（50摄氏度存储7天）后，镀层元素的变化趋势。

图a表示存储前；图b表示在50摄氏度存储7天

可以看出一旦环境发生改变，镀层元素含量变化趋势发生了明显变化，而这代表了锂电池的性能还不够稳定。

我们再来看看GDS对涂覆过磷酸镧层的锂电池性能检测的结果，可以看出：即使环境发生改变，镀层元素（Ni,Co,Mn）含量的变化趋势也没有发生太大变化，和没有涂覆磷酸镧层相比，锂电池的性能稳定性得到了明显提高。

图a表示存储前；图b表示在50摄氏度存储7天后

以上结果来源于The effects of LaPO4 coating on the electrochemical properties of Li[Ni0.5Co0.2Mn0.3]O2 cathode material (H.G. Song et al. / Solid State Ionics xxx (2012) xxx–xxx)

所以说通过GDS对锂电池电极的分析，我们可以研究电极改性、循环副反应、电池寿命等过程，从本质上获得锂电池性能改进的方案。

世界各国越来越重视环境问题，未来，开发应用于混合动力车和燃料混合动力车的大功率锂电池将成为主流，相信GDS在这一过程中也将继续扮演者重要角色。

除了上节课的钢铁行业和今天的锂电池行业外，GDS还在哪些领域发挥重要作用呢？下节课，我将继续和大家分享，不要错过哦~

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