Matthew T. McDowell观点:纳米级科学对高能电池的作用

Matthew T. McDowell观点:纳米级科学对高能电池的作用我们正在进入一个由清洁能源转型驱动的大规模电气化时代,这将对我们使用、储存和转化能源的方式产生巨大的改变。如何高效的、可逆的使用电池储存电能是电气化的关键。虽然电池已经发展了两百多年,但是锂基电池的储能能力和生产规模却是在最近二十年里才取得巨大的进步。当前和未来社会对电动汽车的需求、混合动力的飞机、便携式电子产品以及对电网的支持都在推进电气化的进步。因此,对电池的要求是在保持低成本的同时储存更多能量和更快的提供能量。了解电池材料在纳米级别上的转化和衰退反应有利于未来开发高性能的电池。

材料科学在电池科学与技术中发挥着基础性作用,为了实现最佳的电化学转换和长期稳定性,电极材料以及其界面都必须经过精心设计和处理。在过去的二十年中,对纳米级材料的掌控已经成为了推进高级电池技术的重要推动因素。正如在Whittingham等人在Nano Letters中强调,具有纳米级尺寸的工程材料已经初露头角并已被在电池领域广泛研究。纳米级材料的特定优势包括更短的离子扩散长度和更好的抗机械衰退能力,比如商业化的LiFePO4正极材料以及高容量硅基负极材料。但是纳米级材料也不是电池的灵丹妙药,因为纳米材料的较高表面积会导致效率降低和循环性受限,而且此类材料的制备成本可能很高。但是纳米科学不仅仅通过使用工程纳米材料影响了储能领域;反而让我们在纳米级描绘、理解和最终控制各种电池材料的转化机制上得到了极大的提升。我们对电池材料转化能力的理解和管理上的飞跃,是纳米科学界过去二十年来一直强调精准纳米级材料控制的直接成就。这些努力同时指导着具有改进性能的工程电池设计,并且进一步推动了动力电池在未来的发展。

纳米尺度了解电池
电池的充电放电会导致电池内部材料的复杂演变;存在着活性材料的结构转变,离子扩散,局部张力和压力的演变以及界面处新相的形成。电池内动态过程的描绘对理解材料和界面的结构、化学和形态学如何影响电化学行为,以及材料如何随着时间的改变和降解从而导致了电荷储存容量衰减十分重要。当在材料结构和化学中允许纳米级控制的合成方法相结合时,关于材料如何在电池中演变的知识对如何创造出能够提高能量、功率和长期稳定性的新材料提供了关键信息。

在过去的十年里,研究电池材料动态演化到纳米级的定制实验方法激增。这些得益于仪器的进步、其他领域方法的改良以及纯科学独创性的推动。由于电池是封闭系统,通常包含空气敏感材料,因此必须开发出适合其研究的定制方法。多种X射线成像方法已被用于研究电池材料的纳米级动力学,包括用于对粒子变换成像的X射线断层扫描,布拉格相干衍射成像用于检测活性粒子中单个位错的运动,扫描X射线光谱和成像,以及散射技术检测电池反应过程中单个颗粒的应变。透射电子显微镜(TEM)也已成为探索电池材料的重要工具。原位TEM揭示了多种技术上重要的活性材料在固体和液体环境中的纳米级反应机制,并且低温TEM方法的最新成果已证明有助于了解易碎电池材料的原子级结构,例如, 锂金属及其界面。核磁共振和X射线光谱学等也为对纳米级的探索提供了重要的技术支持。

未来二十年电池的纳米级科学
电动交通对电池的主要需求是增加能量和降低成本的同时提高安全性和寿命/耐用性。在短期内,工作的重点是用其他材料代替锂离子电池电极材料,这些材料可以在锂离子电池架构内更多地以单位体积和/或重量储存锂。这些新材料包括合金阳极,锂金属阳极,转换阴极和高镍或富锂氧化物阴极。在过去的几年里,大部分纳米级表征集中在了与这些新材料相关的转化机制和降解行为上。基于这种深入的研究和开发,其中一些材料已经成功地在商业化锂离子中实施。此外,正在开发中的钠离子基材料和系统也可能具有成本优势。

除了这些努力之外,推动电池技术的一个主要机会在于创建用于储能的新电池架构。其中一种架构是固态电池,可以在提高安全性和耐用性的同时展现出更高的能量密度。这些电池由全固态材料制成,因此不含锂离子电池所需的易燃液体电解质。虽然这项技术十几年前已为人所知,但近年来加速努力的关注点在于开发制造能够与锂离子电池能量和功率特性相媲美甚至超过其的电池所需的材料和界面。然而,这些系统的全固态性也带来了根本性挑战,充电和放电的过程中材料的必要化学和结构变化会导致容量退化加剧。尽管许多与锂离子电池相同的活性材料可用于固态电池,但固态结构却是一个单独的结构从而导致不同材料和界面的转变。为了进一步地开发固态电池,未来几年迫切地需要从根本上了解材料和界面的转化和降解机制,纳米级界表征将发挥重要作用。事实上,与传统的液基电池相比,最先进的材料表征最近揭示了独特的界面转变,更令人兴奋的突破即将出现。

电池材料表征的一个重要目标就是积累足够的知识,以便能够将电池的测量输出(例如电压或电流)与内部材料转换和降解机制直接联系起来。这种联系是必要的,因为通过对电池输出的简单测量来判断正在运作的电池内部状态是很有用的。在基本相关性的基础上,下一步是了解电池中跨长度尺度的材料降解的开始实施如何与输出电压、温度、电池的体积/压力或者其他外部可测量参数的细微变化相关联的。这种理解将允许在包含数千个单个电池包的使用期间更精准地监控电池,并根据这些可测量值的电池健康状态与内部材料的健康状态进行关联。因为单个电池退化通常涉及罕见事件,例如,阳极上的锂金属沉积或过度的局部中间相形成。因此,这是一个具有挑战性的命题。需要结合实验,数据分析和建模来了解在纳米级产生的罕见情况的条件。该领域的早期工作中已经显示出了对电池电压输出的系统分析在识别早期退化机制方便的价值。

材料的纳米级工程一直以来都是电池研发的一大福音,我们在纳米级表征和理解材料能力上的提高对此也发挥了关键作用。电化学储能有望在我们日益电气化的世界中发挥重要作用,同时,材料和纳米科学学界将继续揭示电池运行的基本方面,为该技术的开发和商业化奠定扎实的基础。

Matthew T. McDowell, The Role of Nanoscale Science for Advancing Batteries, Nano Lett., 2021, DOI:10.1021/acs.nanolett.1c02395

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