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一种在实际工作条件下监测钠离子和锂离子电池中电解质演变的策略

为了满足全球对可长时间运行的电子产品日益增长的需求,工程师将需要开发寿命越来越长的高性能和稳定的电池。为了可靠地持续改进电池技术,理想情况下,人们应该能够在实际操作条件下持续监测电池内部的动态化学,以发现潜在问题并最大限度地提高电池性能。

法兰西学院、RéseausurleStockageElectrochimiquedel'Energie(RS2E)和雷恩大学(CNRS)的研究人员最近设计了一种方法来实时监测钠离子和锂离子电池内部电解质的演变在实际工作条件下。这种方法在NatureEnergy中介绍,它基于一种称为原位红外光纤倏逝波光谱的测量技术。

“电池是电化学装置,可以以化学形式储存能量,”进行这项研究的研究人员之一让·玛丽·塔拉斯孔(JeanMarieTarascon)告诉TechXplore。“电解质降解等寄生反应有助于提高或降低电池性能。因此,突破操作技术的界限以监测这些复杂的化学过程非常重要。”

在他们之前的研究中,Tarascon和他的同事确定了一种在“正常”工作条件下测量电池单元温度和压力的策略。该策略包括将刻有光纤布拉格光栅(FBG)传感器的单模石英光纤插入电池中(即,能够在短距离内周期性调制石英光纤的折射率)。

“使用这种方法,我们估计了与电解质部分分解和固体电解质界面(SEI)形成相关的能量,SEI是在电池电极上形成的离子导电和电子绝缘层,”Tarascon解释说。“然而,我们未能确定该过程中涉及的化学物质,因为测量对纤维的化学环境视而不见。”

Tarascon及其同事介绍的监测电池内电解质演变的策略是基于放置在电池内的硫族化物玻璃光纤中红外光的传输。这种红外光与电池成分相互作用,使研究人员能够识别和追踪光纤周围的化学分子。

“使用我们的方法,我们根据充电状态观察了电解质的演变以及钠锂离子在电极中的插入/提取,”Tarascon说。“有了这个系统,科学家们还能够探索电解质和负极材料之间的界面,称为固体电解质界面(SEI)。这一层既是离子传导又是电子绝缘的,决定了电池的使用寿命”

这组研究人员提出的方法使工程师能够更好地了解特定电池内部发生的化学过程以及它们如何随时间演变。除了观察电解质的演变(即电池内含有离子并可通过电解分解的物质)之外,该策略还可用于跟踪参与SEI成核和生长的化学物质,SEI是在第一个过程中形成的电池充电的步骤。

“目前,优化电解质和方案以找到理想的SEI的最佳选择,从而提高电池寿命需要很长时间,”Tarascon说。“通过我们新设计的方法,可以快速准确地了解配方中的每个元素如何演变、如何与其他元素相互作用并影响电池性能。”

未来,这组研究人员引入的新方法可能有助于简化和改进电池技术的设计。与此同时,Tarascon和他的同事们计划继续改进他们的测量策略并开发可用于收集更多关于SEI层的信息的新方法。

“除了揭示与寄生电解质降解有关的化学物质外,我们的分析方法还提供了对插入过程和循环时电池内Na(Li)存量的深入了解,”Tarascon补充道。

“此外,监测SEI成核和循环生长等过程的可行性将有助于开发更好的老化模型,从而开发更先进的电池管理系统。这种操作技术也可以应用于其他储能设备(例如燃料电池和超级电容器)。”

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