专题约稿|加州大学圣地亚哥分校-致力于打造未来的电池

专题约稿|加州大学圣地亚哥分校-致力于打造未来的电池

——“锂电检测技术系列——形貌分析技术”专题征文

(作者：赛默飞世尔科技)

　　随着世界努力减少对化石燃料的依赖，新一代的电池将发挥关键作用。通过使用合适的电池，我们将能够平衡太阳能和风能生产和消费的高峰和低谷，从而存储由太阳和风产生的可再生能源。我们将能够为电动汽车配备更安全，更耐用的电池，使驾驶者一次充电可以长距离行驶，然后也可以更快地为这些电池充电。除此之外，我们也能够将手机，计算机和手表等便携式消费电子设备的使用时间增加，无需频繁充电。

　　为了实现这些目标，全球许多大学和企业都致力于材料科学的创新。其中一个专注于尖端电池研究的中心是加州大学圣地亚哥分校的可持续能源和能源中心 (Sustainable Power and Energy Center)。 在那里的研究人员正在探索使用新材料来实现电池突破。科学家们在进行研究时，利用电子显微镜来探索电池材料之间在纳米尺度上的相互作用，从而更好地理解电池性能随时间衰减的原因。

　　锂离子电池的工作方式很简单：电池在充电状态时，锂离子填充石墨晶格形成阳极，氧化物构成阴极。阳极和阴极由液体电解质隔开，当电池放电时，液体电解质允许离子从阳极流到阴极，并且当电池再充电时，锂离子再从阴极回到阳极。

　　在锂离子电池中，当电池充放电时，锂离子通过液体电解质在阳极与阴极之间传输。

　　寻求更持久，更高能量密度的电池

　　加州大学圣地亚哥分校的研究人员正在改变电池不同部分所用的材料，目的是生产更高能量密度，更长使用寿命，并能在恶劣天气条件下继续使用的安全电池。

　　其中的一个研究方向是通过利用硅材料做为阳极来增加锂离子电池的能量密度。硅的容量比石墨的容量大一个数量级，因此使用硅做为阳极材料可以使整体电池能量密度增加。不幸的是，因为硅材料在充放电过程中会产生巨大体积变化从而导致SEI膜不稳定以及材料粉化等问题，电池容量衰减很快。这些问题使得研究人员在设计充放电可逆的硅电极结构方面具有困难的工程挑战。 目前纯硅阳极材料尚未商业化。通过利用Thermo Fisher Scientific电子显微镜在纳米尺度上观察硅颗粒在循环过程中结构变化以及性能衰减的关联性，研究人员正致力于设计能够存储更高能量密度的电动汽车电池。

　　制造在零下的低温环境工作的电池

　　另一个研究领域涉及开发一种在零下的温度下继续工作的电池。通过用液化气体氟甲烷代替液体电解质，研究人员能够制造出在华氏-76 ° F 的低温下工作的电池，然而锂离子电池则为华氏-4 ° F。在研发这个电池的过程中，研究人员使用了包括Thermo Fisher Scientific扫描电子显微镜和FTIR等几种材料表征方法。研发出的新的电池带来了新的商机。 目前初创公司，South 8 Technologies，正在研发这样的电池产品，使得在未来有可能制造出在极端寒冷的条件下运行的电动汽车。同时也预计它还将带来海洋和太空探索的进步。

上图：Thermo ScientificTM Scios扫描电子显微镜

　　以上都是通过电子显微镜等表征手段来帮助推进电池研究前进的几个例子。

　　附：关于锂电系列专题约稿

　　近十年间，在能源技术变革以及新兴科技的带动下，全球锂离子电池产量进入飞速增长期，根据公开数据，预计2018年全球锂电池增速维稳，产量达155.82GWH，市场规模达2313.26亿元。中国是锂电池重要的生产国之一，2018年预计全国锂电池产量达121亿只，增速22.86%。

　　锂离子电池产业的蓬勃发展，也为锂离子电池检测领域带来新的机遇。随着锂离子电池基础科学研究仪器水平不断提升，几乎各类先进科学仪器都逐渐在锂离子电池的研究中出现，且针对锂离子电池的研究、制造也开发了许多锂电行业专用的仪器设备。

　　为促进中国锂电检测产业健康发展，仪器信息网结合锂离子电池检测项目品类，将从2018年12月起策划组织系列锂电检测系列专题报道，为专家、仪器设备商、用户搭建在线网上展示及交流平台。锂电检测系列专题内容征集进行中：【征集申报链接】