組成鋰離子電池電極的微粒是微小的但有力的：它們確定電池可以存儲多少電荷，充電和放電的速度以及隨著時間的推移保持的時間-這對于電動汽車或電子產(chǎn)品的高性能至關(guān)重要設(shè)備。

粒子表面上的裂紋和化學(xué)反應(yīng)會降低性能，整個粒子吸收和釋放鋰離子的能力也會隨著時間而變化?？茖W(xué)家們已經(jīng)研究了兩者，但是直到現(xiàn)在，他們還從未同時研究過單個粒子的表面和內(nèi)部，以了解一個粒子的發(fā)生如何影響另一個粒子。

在一項新研究中，由能源部SLAC國家加速器實驗室的Liu Yijin領(lǐng)導(dǎo)的研究小組做到了這一點。他們將單個電池陰極顆粒(約紅血球大小)粘在針尖上，并用兩臺X射線儀器以3-D方式探測其表面和內(nèi)部。他們發(fā)現(xiàn)粒子表面的開裂和化學(xué)變化隨位置的變化很大，并且與粒子內(nèi)部深處的微觀開裂區(qū)域相對應(yīng)，從而削弱了其存儲能量的能力。

SLAC首席科學(xué)家劉益進(jìn)說：“我們的結(jié)果表明，粒子的表面和內(nèi)部基本上是互相交談的。”他是該實驗室的斯坦福同步加速器輻射光源(SSRL)的研究負(fù)責(zé)人。“理解這種化學(xué)對話將幫助我們設(shè)計整個粒子，例如，使電池循環(huán)更快。”

科學(xué)家今天在《自然通訊》中描述了他們的發(fā)現(xiàn)。

內(nèi)外兼?zhèn)?/p>

鋰離子電池通過使鋰離子通過電解質(zhì)在兩個電極(陽極和陰極)之間來回移動來存儲和釋放能量。給電池充電時，鋰離子會沖入負(fù)極進(jìn)行存儲。當(dāng)您使用電池時，離子會離開陽極并流入陰極，并在陰極產(chǎn)生電流。

每個電極都包含許多微觀粒子，每個粒子甚至包含更小的晶粒。它們的結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)是電池性能的關(guān)鍵。隨著電池的充電和放電，鋰離子會滲入和脫離顆粒原子之間的空間，從而使它們膨脹和收縮。隨著時間的流逝，這可能會使粒子破裂和破裂，從而降低其吸收和釋放離子的能力。粒子還會與周圍的電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，形成一個表面層，該表面層會阻礙離子進(jìn)入和離開。隨著裂紋的發(fā)展，電解液會更深地滲透，從而損壞內(nèi)部。

這項研究的重點是由富鎳層狀氧化物制成的顆粒，從理論上講，它可以比當(dāng)今的電池材料存儲更多的電荷。劉說，由于鈷的開采涉及不人道的條件，它還含有較少的鈷，使其更便宜，在道德上也沒有問題。

僅有一個問題：在多輪高壓充電期間，顆粒用于存儲電荷的能力迅速下降(這種類型的電荷用于對電動汽車進(jìn)行快速充電)。

劉說：“電極中有數(shù)以百萬計的顆粒。每個顆粒都像一個裝有許多谷物的飯團(tuán)。” “它們是電池的基石，每個電池都是獨特的，就像每個人都有不同的特征一樣。”

馴服下一代材料

劉說，科學(xué)家們一直在研究兩種基本方法來最大程度地減少損壞并提高顆粒的性能：在表面上涂一層保護(hù)涂層，并以不同的方式將顆粒堆積在一起以改變內(nèi)部結(jié)構(gòu)。劉說：“兩種方法都可能有效，但是將它們結(jié)合起來會更加有效，這就是為什么我們必須著眼于大局。”

李少峰(SSRL)的訪問研究生，將作為SLAC的博士后研究員加入SLAC。他進(jìn)行了X射線實驗，該實驗使用兩種儀器檢查了帶電電池中單個安裝在針上的陰極顆粒，一種掃描表面，另一種探測室內(nèi)?；谶@些結(jié)果，由普渡大學(xué)副教授趙克杰領(lǐng)導(dǎo)的理論家開發(fā)了一種計算機(jī)模型，該模型顯示了帶電將如何在12分鐘的時間內(nèi)損壞粒子，以及這種損壞方式如何反映表面與內(nèi)部之間的相互作用。

劉說：“我們得到的圖像是粒子中到處都有變化。” “例如，表面上的某些區(qū)域比其他區(qū)域退化得更多，這會影響內(nèi)部的反應(yīng)方式，從而使表面以不同的方式退化。”

他說，現(xiàn)在，該團(tuán)隊計劃將該技術(shù)應(yīng)用于他們過去研究過的其他電極材料，尤其要注意充電速度如何影響損壞方式。他說：“您希望能夠在10分鐘而不是幾個小時內(nèi)給電動汽車充電，所以這是后續(xù)研究的重要方向。”