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近日美国斯坦福大学进行的一项对锂电池电极里微小粒子的行为研究显示,对电动叉车蓄电池快速充电然后用于高功率快速耗电的工作对电动叉车蓄电池的损伤可能没有研究人员预想的那么糟糕,而缓慢充电和耗电所带来的益处可能也被过度夸大。这项研究结果挑战了有关“超级充电”电动叉车蓄电池比缓慢充电对电极要求更高的盛行观点。
“在充电和放电过程中电极里发生的化学过程的细节只是确定电动叉车蓄电池寿命的众多因素之一,但这一因素在这项研究之前都尚未被完全理解,”研究高级作者、美国斯坦福大学材料科学和工程学院的助理教授、SIMES的阙宗仰(William Chueh)这样说道。“我们发现了研究电动叉车蓄电池老化的新角度。”这些研究结果可以直接应用于很多现代商业锂电动叉车蓄电池所使用的氧化物和石墨电极。
这项研究被发表在9月14日的期刊《自然材料》上。研究小组还包括来自美国麻省理工学院、美国Sandia国家实验室、韩国三星尖端技术研究所和美国劳伦斯伯克利国家实验室的研究合作者。
电动叉车蓄电池损耗的一个重要原因便是在充电和放电过程中,正负电极在吸收和释放电解质里的离子时自身的膨胀和收缩。在这项研究里科学家们研究了由几十亿个磷酸铁锂纳米粒子组成的正电极,如果大多数或者全部离子都活跃参与充电和放电过程,那么它们会相对统一的吸收和释放离子。但是如果只有少部分粒子吸收了所有离子,那么它们更可能破裂和损坏,减少电动叉车蓄电池的寿命。
有关纳米粒子的特性和行为,与之前的研究产生了互相冲突的观点。为了进一步调查真相,研究人员制造了小型硬币蓄电池,利用不同的电流对它们进行不同时长的充电,然后迅速将它们分离并冲洗组件从而阻止充电/放电过程。随后科学家们将电极切成非常薄的片并将它们送至伯克利国家实验室利用高级光源同步加速器的密集的X设线进行检测。
研究人员发现,在充电过程中只有少部分纳米粒子吸收和释放离子,即使这个过程发生的非常迅速。但当电动叉车蓄电池放电时,有趣的事发生了:随着放电速率增加超过一定的极限,越来越多粒子开始同步吸收离子,转变成一个更加统一、损害较少的模式。这表明科学家们可能可以扭曲电极材料或者这个过程从而在保证较长电动叉车蓄电池寿命的前提下,或者更快的充电和放电速率。
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