可充電鋰離子電池不會永遠持續下去——經過足夠多次充放電循環後，它們最終會報廢，因此研究人員一直在尋找能夠延長電池壽命的方法。
現在，美國能源部 SLAC 國家加速器實驗室的研究人員以及普渡大學、維吉尼亞理工大學和歐洲同步加速器輻射部門的同事發現，電池衰減背後的因素實際上會隨著時間而變化。早期，衰減似乎是由單個電極粒子的特性驅動的，但經過數十次充電循環後，這些粒子組合在一起的方式變得更為重要。
「基本構建塊是構成電池電極的這些粒子，但是當你充電時，這些粒子會相互作用。」SLAC 科學家、史丹福同步加速器輻射光源研究員、該研究的資深作者Yijin Liu說。因此，「如果你想製造更好的電池，你需要看看如何將粒子組合在一起。」
只見樹木不見森林
這項新研究於 4 月 29 日發表在《科學》上，基於過去的研究，Liu 和同事使用計算機視覺技術分析構成可充電電池電極的單個粒子如何隨著時間的推移而分解。這次的目標不僅是研究單個粒子，還要研究它們協同工作以延長或降低電池壽命的方式。
普渡大學機械工程教授 Keije Zhao 與 Liu 和維吉尼亞理工大學化學教授Lin Feng是資深作者，他將這個問題比作團隊工作。「電池粒子就像人一樣，一開始我們都走自己的路，但最終我們會遇到其他人，最終我們會成群結隊，朝著同一個方向前進。要了解峰值效率，我們需要研究粒子的個體行為，以及這些粒子在群體中的行為。」
為了探索這一想法，共同第一作者、SSRL 博士後研究員 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。在經歷了 10 或 50 個充電周期後，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，並使用計算機視覺方法來識別粒子。
電池的壽命
最後，他們確定了 2000 多個單個粒子，他們不僅計算了單個粒子的特徵，例如大小、形狀和表面粗糙度，還計算了更多的全局特徵，例如粒子形狀、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單個特性在粒子分解時的所施加的影響，並發現了一個引人注目的模式。在 10 次充電循環後，最大的因素是單個顆粒的特性，包括顆粒的球形程度以及顆粒體積與表面積的比率。然而，在 50 個循環之後，配對和組屬性——例如兩個粒子相距多遠、它們的形狀有多大變化以及更細長的足球形粒子是否具有相似的取向——推動了粒子分解。
「這不再只是粒子本身。 重要的是粒子-粒子相互作用。」Liu說，這很重要，因為這意味著製造商可以開發控制這些特性的技術。例如，他們可能能夠使用磁場或電場將細長的粒子彼此對齊，新結果表明這將延長電池壽命。
並且，共同資深作者和維吉尼亞理工大學化學家Feng說，這些結果可以應用於本研究之外的領域。「這項研究真正揭示了我們如何設計和製造電池電極以獲得電池的長循環壽命，我們很高興能夠深化下一代低成本快速充電電池的理解。」
該研究由 SLAC 的 DOE 實驗室指導研究與開發計劃和國家科學基金會資助。SSRL 是美國能源部科學辦公室用戶部門。