Photoacoustic Imaging of Lithium Metal Batteries
我们证明,光声显微镜(PAM)可以是一个潜在的新的成像工具来研究锂金属枝晶生长,一个关键的问题,导致短路,甚至爆炸的锂金属电池。我们的研究结果表明了锂金属电池的PAM成像的几个优点:高分辨率(微米),3D成像能力,在隔板中的深穿透,以及与大块锂金属的高对比度。此外,PAM具有用于Li金属电池的原位实时成像的潜力。
2019-09-03 physics.app-ph physics.chem-ph
Computational Screening of Current Collectors for Enabling Anode-free Lithium Metal Batteries
锂金属电池是实现运输和航空电气化的高比能量和能量密度的关键。无阳极电池是锂金属电池的极限情况,不涉及过量的锂和最高可能的比能量。此外,无阳极电池更容易,更便宜和更安全,因为它们避免了锂金属箔的处理和制造。由于缺乏过量的锂,与枝晶生长和循环不良有关的问题在无阳极电池中被放大。电解质和集流体表面在影响无阳极电池的循环性能方面起着至关重要的作用。在这项工作中,我们通过计算筛选出了能够有效地使锂成核并允许均匀生长的候选集流体。这些由锂吸附的自由能和候选集流体上的锂表面扩散势垒确定。利用密度泛函理论计算,我们表明,锂合金具有理想的特性,锂的形核和生长。与当前的过渡金属集流体相比,这些可以导致比能量的极大改善。
2019-08-21 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.chem-ph
Three-dimensional experimental-scale phase-field modelling of dendrite formation in rechargeable lithium-metal batteries
我们进行相场模拟的电沉积过程中,形成金属阳极电池内的枝晶,包括各向异性表示。我们描述了一个相场的演变,锂离子浓度,和一个电势,在电池充电周期,求解方程,使用时间推进算法与自动时间步长调整和实施的开源有限元库。提出了一种改进的相场电沉积模型的锂晶体表面各向异性表示方法,并通过不同的数值试验进行了评价,表明该方法对数值参数的敏感性较低。枝晶形态行为的变化被捕获的模拟电极间距离的变化。一组模拟验证所提出的配方,显示其协议与实验观察到的锂枝晶生长速率,和文献中报道的形态。
2022-08-27 physics.app-ph
Theoretical investigation of two-dimensional phosphorus carbides as promising anode materials for lithium-ion batteries
采用二维(2D)材料作为锂离子电池(LIB)的阳极被认为是满足下一代高容量LIB不断增长的需求的有效方法。在这项工作中,第一性原理密度泛函理论(DFT)计算评估的潜在应用的二维碳化磷(2D PCx,x=2,5,和6)单分子膜作为锂离子电池的阳极材料。2D PCx系统预计将显示出出色的结构稳定性和电子性能。从轻推的弹性带计算,锂原子显示出极高的扩散系数的PCx单层与低能量的障碍为0.18 eV的PC 2,0.47 eV的PC 5,和0.44 eV的PC6。我们进一步证明,单层PC 5和PC 6的理论比容量可分别达到1251.7和1235.9 mAh g-1,几倍于商业LIB中使用的石墨阳极。这些结果表明,PC 5和PC6单分子膜都是有前途的LIB阳极材料。我们的工作为探索能源应用中的新型2D材料开辟了一条新途径,其中碳化磷可用作LIB中的高性能阳极。
2020-02-15 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Design rules for liquid crystalline electrolytes for enabling dendrite-free lithium metal batteries
锂金属的无枝晶电沉积对于采用高能量密度可再充电锂金属电池是必要的。在这里,我们展示了一种新的机制,使用液晶电解质抑制枝晶生长与锂金属阳极。一种新型的液晶电解质通过引入额外的过电位来改变电沉积的动力学,这是由于其体积畸变和锚定自由能。通过扩展相场模型,我们模拟了金属阳极的形态演变,并探讨了体变形和锚定强度对电沉积过程的作用。通过第一性原理密度泛函理论计算,我们发现液晶分子在锂表面的吸附能可以很好地描述液晶分子的锚定能。与其他外在机制不同,我们发现具有高锚定强度的液晶可以确保锂金属的顺利电沉积,从而为基于金属阳极的可充电电池的实际应用铺平了道路。
2020-04-23 physics.app-ph physics.chem-ph
Non-destructive visualization of short circuits in lithium-ion batteries by magnetic field imaging system
为了开发高密度和长寿命的锂离子电池,需要一种技术,该技术允许在循环测试后非破坏性地可视化劣化部件的空间分布。在本研究中,我们测量了锂离子电池在运行过程中泄漏的磁场的分布。基于测量结果,我们使用电流重构过程来评估电池内部的电流密度分布。关于与循环劣化相关联的锂离子电池的内部状态的变化,我们成功地可视化了锂离子电池内部的电导率分布的空间变化。
2020-10-09 physics.app-ph physics.chem-ph
Subsurface Vacancy Engineering Enables Atomically Clean and Oxidation-Resistant Copper Interfaces for Anode-Free Lithium Metal Batteries
Peking University(北京大学);Beijing Institute of Technology(北京理工大学)
通过离子注入在铜箔中产生亚表面空位簇,去除原生氧化物并防止再氧化,形成Li2O富集的SEI,实现均匀锂沉积,在无负极锂金属电池中600循环后库仑效率达98.8%。
2026-06-24 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Grain Boundaries in Ceramic Solid-State Lithium Metal Batteries: A Review
Texas Tech University(德克萨斯理工大学)
本文综述了陶瓷固态锂金属电池中晶界的影响,探讨了晶界在离子传输、枝晶形成及失效机制中的作用,并提出了晶界工程的未来发展方向。
2025-08-09 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Asymptotic reduction of a porous electrode model for lithium-ion batteries
提出了一种基于Butler-Volmer反应动力学的锂离子电池多孔电极模型。我们模拟了固相和液相中的锂浓度以及固相和液相的电势。通过渐近约化,我们证明了电势在空间上是齐次的,从而将问题转化为一系列的时间依赖问题。这些问题可以在三个不同的时间尺度上解决,早期的时间尺度,其中电极中的电容效应占主导地位,中间范围的时间尺度,其中在电解质中形成的空间浓度梯度,和长时间尺度,其中每个电极饱和和耗尽分别与锂。固相浓度分布是时间的线性函数,电解质电位处处为零,这使得模型可以简化为两个非耦合常微分方程的系统。分析和数值计算结果进行了比较,充分的数值模拟和实验放电曲线表现出良好的协议。
2019-05-30 physics.app-ph
Charge transport modelling of lithium ion batteries
本文介绍了锂离子电池充放电时电化学行为的数学建模的现状。它回顾了纽曼及其同事开发的模型,无论是在稀释和适度浓缩的电解质的情况下,并指出其发展所需的建模假设。特别注意的是施加在电解质和活性电极材料之间的界面条件;必要的条件是来自其中之一,巴特勒-沃尔默关系,以确保物理上现实的解决方案。洞察文献中发现的各种模型之间的差异的起源被揭示通过考虑使用不同的措施的电势得到的配方。通常用于锂离子电池中的电极材料被认为是和各种数学模型用于描述锂在其中的传输进行了讨论。使用均化技术解决了从单电极颗粒尺度的行为模型到电池尺度的放大问题,从而产生通常用于描述锂离子电池中的电荷传输和放电行为的伪2D模型。讨论了该模型的数值解,并计算了一个常见器件的说明性结果。
2020-01-14 physics.app-ph physics.chem-ph
Chemomechanics: friend or foe of the "AND problem" of solid-state batteries?
固体电解质被广泛认为是安全、耐用和高能量密度的可再充电锂离子电池的锂金属阳极的实现者。尽管有希望,但与固态电池相关的故障机制尚未建立,主要是由于对控制它们的化学机械因素的了解有限。我们专注于了解固态方面的最新进展,包括机械应力,本构关系,断裂和空隙形成的影响,并概述了文献中的差距。我们还提供了与化学力学有关的固态电池的制造和加工的概述。所确定的差距为合理设计和开发耐故障固态电池提供了具体方向。
2022-03-28 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Beyond Lithium-Ion Batteries: Are Effective Electrodes Possible for Alkaline and Other Alkali Elements? Exploring Ion Intercalation in Surface-Modified Few-Layer Graphene and Examining Layer Quantity and Stages
本研究利用密度泛函理论(DFT)探究碱金属与碱土金属在表面修饰少层石墨烯中的离子嵌入机制,发现能量有利的新位点及层数影响,为超越锂离子电池的电极材料设计提供理论基础。
2024-05-20 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Non-Negative Matrix Factorization for 2D-XAS Images of Lithium Ion Batteries
锂离子二次电池已被用于各种各样的目的,例如用于为移动设备和电动车辆供电,但它们的性能应该得到改善。限制其性能的因素之一是充电和放电过程中化学反应的不均匀性。已经进行了许多尝试来阐明这种反应不均匀性背后的机制。为了检测锂离子电池Co K边二维X射线吸收光谱(2D-XAS)图像中各种物理性质的非均匀性,提出了一种单边正交非负矩阵分解结合参考信号去除的方法。在电池中的不同位置处获取的X射线吸收光谱之间的差异非常小。然而,即使在这样的情况下,我们的方法可以将2D-XAS数据分解到不同的空间域及其相应的吸收光谱。从所获得的吸收光谱的光谱分解,我们确认了过渡的主峰的能量转移作为证据的电荷状态的变化,也发现了光谱的变化,由于在分解的光谱成分中的轨道杂化。
2021-10-06 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
A fast solver for the pseudo-two-dimensional model of lithium-ion batteries
伪二维(P2D)模型是一种复杂的数学模型,可以捕获锂离子电池中的电化学过程。然而,该模型也带来了沉重的计算负担。在文献中已经引入了对模型的许多简化以降低复杂性。我们提出了一种快速计算的P2D模型,可以使用时,简化是不够准确的方法。通过重新安排计算,我们降低了线性代数问题的复杂性。我们还采用了自动微分,使用开源包JAX的鲁棒性,同时也允许轻松实现系数表达式的变化。该方法在不影响精度的情况下消除了P2D模型中的计算瓶颈。
2021-11-17 cs.SY eess.SY physics.app-ph
A Brief Review of Current Lithium Ion Battery Technology and Potential Solid State Battery Technologies
固态电池技术最近引起了丰田、宝马、戴森等公司的极大兴趣。固态电池(SSB)商业化背后的主要驱动力是能够使用锂金属作为阳极,而不是目前使用的碳阳极,这将导致约20%的能量密度改善。然而,迄今为止没有报道的固态电池满足现有技术的液体电解质锂离子电池(LIB)的所有性能指标,并且实际上若干固态电解质(SSE)技术可能永远无法达到与当前LIB同等的水平。我们首先回顾了最先进的LIB,包括其当前的性能特点,成本的商业趋势,和未来的可能性。然后,我们讨论了目前的SSB的研究重点是三类固态电解质:硫化物,聚合物和氧化物。我们讨论了SSB领域最近和正在进行的商业化尝试。最后,我们总结了我们对商业电池未来的看法和时间轴。
2018-03-12 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Na-intercalation compounds and Na-ion batteries
本文回顾钠离子电池的发展历史与近期进展,系统讨论钠插层化合物的几何结构、能带结构、态密度和空间电荷分布等基本物理与电子性质,并展望其作为下一代电池的潜力。
2022-06-17 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Strategic Research Grant Report: Fiber-shaped lithium-ion batteries with metallic electrodes
我们已经展示了一种纤维锂离子电池(LIB)制造的共扭LiFePO 4复合涂层铜线(阴极)与铝导线(阳极)。在缠绕之前,将用作电解质和电池隔膜的全固体LiPF 6复合层沉积在两个电极丝上。为了表征电池的电化学性质,进行具有不同C倍率的充电-放电测试。光纤LIB具有~3.4 V的开路电压,并且发现在0.5 C充放电速率下的典型比容量为~87 mAhg-1。此外,所提出的电池具有超过82%的库仑效率在所有的充电-放电测试。我们还发现,弯曲的纤维电池对电池的电化学性能的影响不大。
2018-03-07 physics.app-ph physics.chem-ph
Modelling electrode heterogeneity in lithium-ion batteries: unimodal and bimodal particle-size distributions
在锂离子电池的数学模型中,高度异质的多孔电极经常被近似为包括均匀尺寸的球形颗粒,当电解质中的传输被假设为快速时,导致常用的单颗粒模型(SPM)。在这里,电极的异质性是通过扩展到粒度分布来建模的。单峰和双峰粒径分布(PSD)被认为是。对于一个单峰PSD,细胞动力学上的分布的蔓延的效果进行了研究,并选择有效的颗粒半径时,近似由SPM评估。渐近技术被用来获得一个修正SPM有效的狭窄,但现实的,PSD。此外,它表明,所有粒子的非均质内部状态(相关的建模时,例如退化)可以有效地计算后的事实。对于双峰PSD,结果很好地近似于双粒子模型(DSPs),一个尺寸代表每种模式。具有双峰PSD的磷酸铁锂的结果表明,PSD捕获了实验观察到的放电曲线中的双平台,表明这完全是由于双峰。
2020-06-23 physics.app-ph
ANISSA: Advanced Neutron Imaging for Solid-State batteries in Action
针对固态电池锂传输机制及降解过程研究手段受限的问题,提出ANISSA项目,结合高分辨率中子与X射线成像技术,构建集成实验框架以研究锂基储能系统中的耦合电化学-力学过程。
2025-08-14 physics.app-ph
High performing ionanofluid electrolyte with higher lithium salt concentration for safer lithium metal batteries
开发了一类新的具有更高锂盐浓度的高性能吡咯烷鎓阳离子基离子纳米流体电解质。电解质通过将咪唑鎓离子液体官能化的TiO 2纳米颗粒分散在低导电的0.6 M锂盐掺杂的N-烷基-N-丁基吡咯烷鎓双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺(Pyr 14 TFSI)离子液体(IL)托管的电解质中形成。这些电解质的粘度,离子电导率和热性能进行了比较,以及研究0.2 M盐掺杂的Pyr 14 TFSI IL为基础的电解质。高度结晶的0.6 M锂盐溶解的IL基电解质逐渐成为无定形的增加分散的表面功能化的纳米粒子在it. the电解质的离子电导率显示出不寻常的粘度解耦特性,并在5.0重量%的纳米粒子分散它达到最大值,高于纯IL主机。与纯IL基电解质相比,离子纳米流体电解质还具有显著更高的锂离子迁移数值。具有最佳导电离子纳米流体电解质的Li/LiMn 2 O 4电池在25 ℃下在24 mA g-1的电流密度下提供约131 mAh g-1的放电容量,远高于在0.2 M Li盐解离的Pyr 14 TFSI电解质中获得的放电容量(87 mAh g-1)。离子纳米流体电解质和电极之间的优异界面相容性,如与纯IL基类似物相比,电池的优异的速率性能和出色的容量保持所示,进一步确立了这种优化的新开发的电解质用于更安全的LMB的巨大应用潜力。
2018-06-19 cond-mat.soft physics.app-ph
Non-invasive Current Density Imaging of Lithium-Ion Batteries
电动汽车取代化石燃料推动的运输的快速步伐严重依赖于高性能、高能量密度和高效的电池。现有电池的最佳和安全使用以及急需的新型电池化学和几何结构的开发需要大量的诊断和监测工具。虽然结构和化学信息很容易通过许多成像技术提取,但内部电池过程的非侵入性功能检测仍然有限。在这里,我们介绍在电池外部进行的灵敏磁力测量,它揭示了电池单元的内部电流分布。作为一个关键的应用,我们使用一个传感器阵列的图像下的磁场充电状态之间的袋电池循环。我们发现测量和建模领域之间的良好协议,具有足够的分辨率,以检测高电流密度区域周围的高电平偏差。这为在整个电池寿命周期内进行快速可靠的评估开辟了道路,从电池开发和制造质量保证到操作安全和优化使用。
2021-01-29 physics.app-ph
Ultrasonic identification technique in recycling of lithium ion batteries
University of the Witwatersrand(威特沃特斯兰德大学);Université de Tours(图尔大学);Inserm Research Unit U1253: iBrain(法国国家健康与医学研究院U1253单元:iBrain);Faculté de Médecine(医学院);Moscow State University(莫斯科国立大学)
锂离子电池的回收被认为是不久的将来废物管理的必要条件之一。为了使回收在经济上可行,需要开发简单且具有成本效益的技术来分离复合电极中的各个材料。超声波分离可能是这样一种技术,前提是锂离子电池微粒对声场的响应是可预测的。锂离子电池阴极含有疏水性碳。由于固体的不可压缩性,当受到超声时,围绕这些疏水颗粒的薄气体层必须不对称地振荡。因此,从疏水性微粒辐射的超声信号的谐波含量必须高于具有相同尺寸的亲水性微粒。锂离子电池负极中存在的物理疏水微粒产生的谐波信号响应是否高于负极中其他组分材料的谐波响应的问题是本文研究的重点。测量并比较了阴极材料在1 MHz超声作用下的散射响应。阴极材料C65、PVDF和NMC对1 MHz超声的响应不同。C65的超谐波响应归因于其疏水性引起的非对称振荡。此外,C65疏水微粒可能是谐波成像的合适候选者。
2019-10-07 cs.SD eess.AS physics.app-ph
Photo-Rechargeable Li Ion Batteries using TiS2 Cathode
光充电(太阳能)电池可以被认为是一种能量收集和存储系统,它可以使用光而不是电来为传统的金属离子电池充电,而不会产生其他寄生反应。在这里,我们展示了一个双电极锂离子太阳能电池与多方面的TiS2-TiO2混合片作为阴极。TiS2-TiO2电极的选择确保了II型半导体异质结构的形成,而横向异质结构几何形状确保了与电极的高质量/电荷转移和光相互作用。TiS2具有比TiO2(1.03 eV)更高的锂结合能(1.6 eV),确保了更高量的Li离子插入到TiS2中的可能性,从而确保了光充电的最大恢复,如通过实验进一步证实的。除了太阳能固态电池的演示外,锂离子全电池的光充电表明锂嵌入石墨化合物的形成,确保电池的充电在电解质或电极-电解质界面没有任何其他寄生反应。根据我们的实验和理论结果,本文提出了太阳能电池充电和放电过程的可能机制,表明了这种系统在即将到来的可再生能源时代的潜力。
2023-01-15 physics.app-ph
True performance metrics in beyond-intercalation batteries
与基于嵌入的锂离子电池和钠离子电池相比,超越嵌入的电池承诺能量存储的阶跃变化。然而,只有包括所有电池组件和操作参数的性能指标才能判断是否已经实现了对嵌入式电池的真正进步。
2019-11-30 physics.app-ph
Physics-informed neural network surrogate modeling of single particle model for lithium-ion batteries
Aalborg University(奥尔堡大学)
本文提出基于物理信息神经网络的锂离子电池单粒子模型代理建模方法,通过对比三种架构发现傅里叶增强型DeepONet在动态电流条件下具有更优性能和速度提升。
2026-01-04 physics.app-ph
All-solid flexible fiber-shaped lithium ion batteries
我们提出了通过将阴极灯丝和阳极灯丝缠绕在一起来组装纤维状锂离子电池。阴极灯丝通过将LiFePO 4(LFP)复合层沉积到钢填充聚酯导电线(SPCT)上来制造。作为阳极丝,我们提出了几种方案,包括Li 4 Ti 5 O 12(LTO)复合涂层SPCT(浸渍和干燥沉积),锡涂层SPCT(PVD沉积)以及裸锡线。然后,在电池组件之前,将由LiPF 6和聚环氧乙烷(PEO)组成的电解质复合材料层沉积到阳极和阴极细丝两者上。通过使用定制的夹具将阴极灯丝和阳极灯丝缠绕在一起,然后组装电池。发现使用LTO@SPCT阳极的电池的开路电压为~ 2.3V,使用锡@SPCT阳极和锡线阳极的电池的开路电压为~ 3.3V。对于每个电池样品,在不同的C速率下进行充电-放电测试。实验结果表明,当以0.5-C速率充放电时,使用LTO@SPCT阳极、锡@SPCT阳极和裸锡丝阳极的LIB可以分别实现约64、约67和约96 mAh/g的比容量。电池在80次充放电循环后仍能保持良好的容量。在本文所报道的所有电池的运行过程中,它们的库仑效率保持在80%以上。所提出的LIB的优点是重量轻、易于制造、高比电容、高能量密度和良好的耐久性。最后,我们的电池采用廉价且市售的钢填充聚酯线作为基础材料,使它们可能适合使用各种标准纺织品制造技术集成到可穿戴设备中。
2018-01-15 physics.app-ph physics.chem-ph
Advancing Measurement Capabilities in Lithium-Ion Batteries: Exploring the Potential of Fiber Optic Sensors for Thermal Monitoring of Battery Cells
RWTH Aachen University(亚琛工业大学);Fraunhofer Institute for Silicon Technology (ISIT)(弗劳恩霍夫硅技术研究所)
本文探讨了光纤传感器在锂离子电池热监测中的应用,通过OFDR技术实现空间分辨温度测量,展示了其在电池内部条件监测中的优势。
2025-02-19 cs.SY eess.SY physics.app-ph