薄型射頻檢測器監控商用鋰離子電池的容量

一種新型的薄型射頻檢測器，設計用于鋰離子電池內部，可在充電和放電時提供有關電池健康的信息。

桑迪亞國家實驗室的物理學家埃里克·索特說：“它可以使研究人員在多年存放后檢查電池的功能和容量，而不會破壞電池。”

這項由桑迪亞實驗室指導研究與開發計劃資助的工作將幫助研究人員更好地了解電池并對其進行表征，以改善電池以用于可再生存儲和國家安全應用。制造商也可能會利用這一天來進行診斷測試，Sorte說。

磁共振探測器移動到電池內部

當鋰離子電池為電子設備供電然后再充電時，內部會發生化學和物理變化，從而隨著時間的推移會降低其功能。分子副產物隨著鋰離子嵌入并離開每個電極而形成。這些分子會消耗活性鋰并降低電池容量。電極還會發生不希望的化學變化，從而降低其保持電荷的能力。鋰的微觀尖峰可能會從電極表面生長出來，消耗關鍵的攜帶電荷的離子并產生潛在的易燃條件。

隨著研究人員努力提高鋰離子電池的性能，他們調整了電池的化學成分，并通過多次充電和放電使系統循環。然后，他們打開電池并在顯微鏡下檢查材料，以查看其結構和組成如何變化。

如果研究人員可以監視電池在充電和放電過程中的狀況，則可以更快地獲得該信息。他們目前這樣做的一種方式是使用與醫院中的磁共振成像相同的原理的技術。該方法通過查看來自分子中特定元素的信號來提供分子結構和環境的線索。

它是這樣工作的：首先，儀器發送經過調整的無線電波脈沖，以與鋰，硫或氫等元素中的特定原子核相互作用。當原子核重新回到其原始狀態時，它會發出一個信號，該信號根據原子的周圍環境可預測地發生變化。

研究人員以前曾使用此技術查看電池中的化學變化，但他們不得不以工作電池中不存在的方式修改電池組件。這是由Sorte與Sandia材料科學家Todd Alam和其他同事共同創建的這種新型檢測器，旨在用于日常使用的電池。它比一張紙還薄，可以制成任何形狀的電池。

研究人員已經將其放入市售電池中。他們想象有一天在制造過程中將檢測器條插入電池中，因此它已經包含了快速健康檢查所需的組件。

來自分子成分的特定信號指示電荷，化學變化

使用該檢測器，Sorte及其同事可以看到鋰離子與每個電極中的物質相互作用時產生的獨特信號。這使他們能夠跟蹤在重復的充電和放電循環中電池可容納的電量。容量下降表明電池即將耗盡。

研究人員還可以看到電池工作時副反應過程中產生的分子產生的獨特信號。他們可以監控這些分子副產物，然后調整電池的化學成分以減少不良反應。這些變化可以幫助他們改進電池，使其具有大規模可再生能源存儲等應用所需的性能。制造商還可以在一天內使用該設備對電池進行診斷測試。

他補充說，同樣的方法和檢測條也可以用于觀察釩液流電池和其他化學物質的內部工作情況。Sorte還正在使用已經存在的電極來監測電池的內部壽命，因此不需要其他組件。