可充電鋰離子電池不能永遠(yuǎn)使用下去——經(jīng)過足夠多的充電和再充電循環(huán)后，它們最終就會(huì)報(bào)廢，因此研究人員一直在尋找延長(zhǎng)電池使用壽命的方法。
現(xiàn)在，能源部 SLAC 國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室的研究人員以及普渡大學(xué)、弗吉尼亞理工大學(xué)和歐洲同步加速器輻射設(shè)施的同事發(fā)現(xiàn)，電池衰減背后的因素實(shí)際上會(huì)隨著時(shí)間而變化。早期，衰變似乎是由單個(gè)電極粒子的特性驅(qū)動(dòng)的，但經(jīng)過數(shù)十次充電循環(huán)后，這些粒子如何組合在一起對(duì)衰變的影響就變得更加重要。
“基本構(gòu)建塊是構(gòu)成電池電極的這些粒子，但是當(dāng)你放大時(shí)，就會(huì)看到這些粒子會(huì)相互作用，”SLAC 科學(xué)家、斯坦福同步加速器輻射光源研究員、資深作者劉義金（音譯）說。因此，“如果你想制造更好的電池，你需要看看如何將粒子組合在一起。”
只見樹木不見森林
這項(xiàng)新研究于 4 月 29 日發(fā)表在《 科學(xué)》雜志上，基于過去的研究 ，劉及其同事使用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)研究構(gòu)成可充電電池電極的單個(gè)粒子如何隨著時(shí)間的推移而分解。這次的目標(biāo)不僅是研究單個(gè)粒子，還要研究它們?nèi)绾螀f(xié)同工作以延長(zhǎng)或降低電池壽命的方式。
普渡大學(xué)機(jī)械工程教授 Keije Zhao 與劉和弗吉尼亞理工大學(xué)化學(xué)教授馮林是資深作者，他將這個(gè)問題比作團(tuán)隊(duì)工作的人。“電池粒子就像人一樣——我們都開始走自己的路，”趙說，“但最終我們會(huì)遇到其他人，最終我們會(huì)成群結(jié)隊(duì)，朝著同一個(gè)方向前進(jìn)。要了解峰值效率，我們需要研究粒子的個(gè)體行為，以及這些粒子在群體中的行為。”
為了探索這個(gè)想法，共同第一作者、SSRL 博士后研究員 Jizhou Li 和 Purdue 研究生 Nikhil Sharma 與 Liu、Lin 和 Zhao 以及其他同事合作，用 X 射線研究電池陰極。在經(jīng)歷了 10 或 50 個(gè)充電周期后，他們使用 X 射線斷層掃描重建了陰極的 3D 圖像。他們將這些 3D 圖片切割成一系列 2D 切片，并使用計(jì)算機(jī)視覺方法來識(shí)別粒子。
電池的壽命
最后，他們確定了 2,000 多個(gè)單個(gè)粒子，他們不僅計(jì)算了單個(gè)粒子的特征，例如大小、形狀和表面粗糙度，還計(jì)算了更多的全局特征，例如粒子彼此直接接觸的頻率以及變化程度。
接下來，他們研究了這些特性中的每一個(gè)是如何導(dǎo)致粒子分解的，并了現(xiàn)了一個(gè)引人注目的模式。在 10 個(gè)充電周期后，最大的影響因素是單個(gè)顆粒的特性，包括顆粒的球形程度以及顆粒體積與表面積的比率。然而，經(jīng)過 50 次充放電店循環(huán)后，配對(duì)和組屬性——例如兩個(gè)粒子相距多遠(yuǎn)、它們的形狀有多大變化以及更細(xì)長(zhǎng)的足球形粒子是否具有相似的取向成為了主要因素。
“這不再只是粒子本身。重要的是粒子-粒子相互作用”，劉說。這很重要，因?yàn)檫@意味著制造商可以開發(fā)控制這些特性的技術(shù)。例如，他們可能能夠使用磁場(chǎng)或電場(chǎng)將細(xì)長(zhǎng)的粒子彼此對(duì)齊，新結(jié)果表明這將延長(zhǎng)電池壽命。
并且，共同資深作者和弗吉尼亞理工大學(xué)化學(xué)家馮林說，這些結(jié)果可以應(yīng)用于本研究的細(xì)節(jié)之外。“這項(xiàng)研究真正揭示了我們?nèi)绾卧O(shè)計(jì)和制造電池電極以獲得電池的長(zhǎng)循環(huán)壽命，”林說。“我們很高興能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)下一代低成本快速充電電池的理解。”
