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(chǔ)多少電荷，充電和放電的速度以及隨著時(shí)間的推移保持的時(shí)間-這對(duì)于電動(dòng)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(huì)降低性能，整個(gè)粒子吸收和釋放鋰離子的能力也會(huì)隨著時(shí)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(shí)研究過單個(gè)粒子的表面和內(nèi)部，以了解一個(gè)粒子的發(fā)生如何影響另一個(gè)粒子。

在一項(xiàng)新研究中，由能源部SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室的Liu Yijin領(lǐng)導(dǎo)的研究小組做到了這一點(diǎn)。他們將單個(gè)電池陰極顆粒(約紅血球大小)粘在針尖上，并用兩臺(tái)X射線儀器以3-D方式探測(cè)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(duì)應(yīng)，從而削弱了其存儲(chǔ)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(shí)驗(yàn)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(duì)話將幫助我們?cè)O(shè)計(jì)整個(gè)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(gè)電極(陽(yáng)極和陰極)之間來回移動(dòng)來存儲(chǔ)和釋放能量。給電池充電時(shí)，鋰離子會(huì)沖入負(fù)極進(jìn)行存儲(chǔ)。當(dāng)您使用電池時(shí)，離子會(huì)離開陽(yáng)極并流入陰極，并在陰極產(chǎn)生電流。

每個(gè)電極都包含許多微觀粒子，每個(gè)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(huì)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(shí)間的流逝，這可能會(huì)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(huì)與周圍的電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，形成一個(gè)表面層，該表面層會(huì)阻礙離子進(jìn)入和離開。隨著裂紋的發(fā)展，電解液會(huì)更深地滲透，從而損壞內(nèi)部。

這項(xiàng)研究的重點(diǎn)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(chǔ)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(gè)問題：在多輪高壓充電期間，顆粒用于存儲(chǔ)電荷的能力迅速下降(這種類型的電荷用于對(duì)電動(dòng)汽車進(jìn)行快速充電)。

劉說：“電極中有數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的顆粒。每個(gè)顆粒都像一個(gè)裝有許多谷物的飯團(tuán)。” “它們是電池的基石，每個(gè)電池都是獨(dú)特的，就像每個(gè)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?jī)煞N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(huì)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(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)使用兩種儀器檢查了帶電電池中單個(gè)安裝在針上的陰極顆粒，一種掃描表面，另一種探測(cè)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(jì)算機(jī)模型，該模型顯示了帶電將如何在12分鐘的時(shí)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(huì)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(duì)計(jì)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(gè)小時(shí)內(nèi)給電動(dòng)汽車充電，所以這是后續(xù)研究的重要方向。”