薄型射频检测器监控商用锂离子电池的容量

 
一种设计用于锂离子电池内部的新型薄型射频检测器可在充电和放电时提供有关电池健康的信息。
桑迪亚国家实验室的物理学家埃里克·索特说：“它可以使研究人员在多年存放后检查电池的功能和容量，而不会破坏电池。”
这项由桑迪亚的实验室指导研究与开发计划资助的工作将帮助研究人员更好地了解电池并对其进行表征，以改善电池以用于可再生存储和国家安全应用。制造商还可能会利用这一天来进行诊断测试，Sorte说。
磁共振探测器移动到电池内部
当锂离子电池为电子设备供电然后再充电时，内部会发生化学和物理变化，从而随着时间的推移会降低其功能。分子副产物随着锂离子嵌入并离开每个电极而形成。这些分子会消耗活性锂并降低电池容量。电极也会发生不希望的化学变化，从而降低其保持电荷的能力。微小的锂尖峰会从电极表面生长出来，消耗关键的带电离子并产生潜在的易燃条件。
随着研究人员努力提高锂离子电池的性能，他们调整了电池的化学成分，并通过多次充电和放电使系统循环。然后，他们打开电池并在显微镜下检查材料，以查看其结构和组成如何变化。
如果研究人员可以监视电池在充电和放电过程中的状况，则可以更快地获得该信息。他们目前这样做的一种方式是使用与医院中的磁共振成像相同的原理的技术。该方法通过查看来自该分子中特定元素的信号来提供分子结构和环境的线索。
它是这样工作的：首先，仪器发送经过调整的无线电波脉冲，以与锂，硫或氢等元素中的特定原子核相互作用。当原子核回到其原始状态时，它会发出一个信号，该信号根据原子的周围环境可预测地发生变化。
研究人员以前曾使用此技术查看电池中的化学变化，但他们不得不以工作电池中不存在的方式修改电池组件。由Sorte与Sandia材料科学家Todd Alam和其他同事共同开发的这种新型检测器旨在在日常使用的电池中工作。它比一张纸还薄，可以制成任何形状的电池。
研究人员已经将其放入市售电池中。他们想象有一天在制造过程中将检测器条插入电池中，因此它已经包含了快速健康检查所需的组件。
来自分子成分的特定信号指示电荷，化学变化
使用该检测器，Sorte及其同事可以看到锂离子与每个电极中的物质相互作用时产生的独特信号。这样一来，他们就可以跟踪电池在重复的充电和放电循环中所保持的电量;容量下降表明电池即将耗尽。
研究人员还可以看到电池工作时副反应过程中产生的分子产生的独特信号。他们可以监控这些分子副产物，然后调整电池的化学成分以减少不良反应。这些变化可以帮助他们改善电池的性能，使其具有大规模可再生能源存储等应用所需的性能。制造商还可以有一天使用该设备对电池进行诊断测试。
他补充说，同样的方法和检测条也可以用来观察钒液流电池和其他化学物质的内部工作情况。 Sorte还正在使用已经存在的电极来监测电池的内部寿命，因此不需要其他组件。