盖世汽车讯 据外媒报道，美国能源部阿贡国家实验室（Argonne National Laboratory）的研究人员开发并展示了一套创新方法，以评估现实世界中电池电芯的长期老化现象。这些方法基于通常用于医学成像的核磁共振（NMR）。这是有史以来第一个NMR光谱功能，可以详细跟踪商用软包电池电芯的化学成分在多年运行过程中是如何演变的。
（图片来源：阿贡实验室）
NMR光谱是一种非破坏性、非侵入性技术，依靠原子核的磁性来研究样品中的化学环境。它将射频场施加到浸入强磁场的样品上，使样品吸收能量；然后移除射频场，用探针测量原子核返回较低能态时释放的能量。这些测量可以提供关于原子和分子结构和反应的见解，包括那些在电池材料中的结构和反应。
阿贡实验室的新型NMR功能可供电池研究人员和制造商使用。阿贡国家实验室化学研究人员Baris Key表示：“目前为止，NMR在电池领域的应用还很有限。但是，研究人员和制造商想要在不打开电池的情况下探索电池长期演变趋势，我希望这种强大的新功能能够帮助他们。我们可以研究已经或即将实现商业化的技术。”
使用NMR探测硅阳极电池
当今锂离子电池通过电解质在两个电极之间来回传输锂离子，从而将储存能量转化为电能。在电动汽车中，大部分锂离子电池的阳极（负极）由石墨制成。然而，为了延长续航里程，需要使用能量密度更高的新型电极材料，例如硅。
为了充分利用硅阳极，还有几个技术难题需要解决。当硅阳极电池电芯充电时，锂离子与硅结合形成硅化锂化合物，这会导致阳极体积膨胀高达400%；当电池放电时，锂会从阳极流出，从而导致阳极收缩。而膨胀和收缩会导致硅阳极破裂。此外，硅化锂的反应性很强，这导致与电芯电解质的界面不太稳定。
在阿贡的研究中，研究人员开发并应用NMR光谱技术，以观察在充放电过程中硅阳极电芯中锂原子的演变过程，然后将其放置超过七个月。这项技术类似于医学上用于创建人体详细图像的磁共振成像（MRI）。阿贡博士后研究员Evelyna Wang表示：“我们在研究中所做的事情，就像是对运行的电池电芯进行磁共振成像，只不过我们没有产生电芯图像。与之相反，这些输出是关于电芯中的锂化学环境如何因充电、放电、放置和老化而变化的信息。这些信息使我们能够确定锂原子的去向、它们如何与其他原子相互作用，有多少锂原子参与这些相互作用，以及是否存在相关降解过程。我们的目标是了解为什么硅阳极会随着时间的推移而降解。”
模拟现实世界条件
为了了解电芯如何在现实世界条件下老化，该团队在电芯运行时运用NMR技术。这种“现场原位”方法有助于实时观察电芯内的结构和电子变化。相反，常规电池老化实验是在运行和拆开电芯后评估化学动态。该现场原位NMR方法可以提供电动汽车电池和其他现实世界设备内的精确老化图像。
模拟现实世界条件的另一重要方面在于电芯本身。阿贡的电池分析、建模和原型设施使用与制造商用电池相当的工艺来制造电池。因此，与典型实验室制造电芯相比，这些电芯更加标准化，并且密封和接触更好。Wang表示：“这些电芯基本上是人们在电动汽车、电脑和其他设备中使用的电芯的小版本。它们表现良好，可以在数月甚至数年内保持完整的充放电循环。相比之下，许多实验室制造的电芯只能持续为期一周的循环测试，并且无法了解它们在长时间内的性能下降过程。这项研究首次将现场原位表征方法应用于商用软包电池电芯。”
该团队获得了一个重要发现，在电芯充电后，许多锂原子被困在阳极内。在放电期间，锂原子以硅化锂的形式留在阳极内，而不是移动并传输至阴极（正极）中。被困的硅化锂聚集在阳极内，使电芯循环时的锂数量减少。它们还会与电解质发生反应，被困的分子和反应导致电芯的储能能力降低。Key表示：“NMR方法加上坚固的电芯，对于保存活性分子和以高分辨率表征它们的行为十分重要。我们发现，电芯运行不会降低该技术对电芯内发生的所有化学反应的敏感性。”
阿贡团队还发现，在电解质中添加镁可以减少被困住的硅化锂的数量。这些发现有望启发新的研究方向，以发现不同的化学添加剂、电解质配方和硅材料，从而限制被困硅化锂的形成。
多用途技术
NMR光谱的关键优势在于，它对锂、硅、碳和氢等轻元素的行为高度敏感，而其他表征方法无法轻易探测到这些元素。
除了硅阳极电池，新NMR方法还可以轻松地应用于其他新兴电池技术，如钠离子和固态电池。它们还可以探测其他电池组件中的老化现象，如阴极和电解质。
现在，研究人员致力于将该技术扩展至现有标准尺寸商用软包电池。Key表示：“我们希望能与感兴趣的行业和电池机构达成合作。”
