探究電池老化的原因

科學(xué)日報報道，近日美國斯坦福大學(xué)進(jìn)行的一項(xiàng)對鋰電池電極里微小粒子的行為研究顯示，對電池快速充電然后用于高功率快速耗電的工作對電池的損傷可能沒有研究人員預(yù)想的那么糟糕，而緩慢充電和耗電所帶來的益處可能也被過度夸大。這項(xiàng)研究結(jié)果挑戰(zhàn)了有關(guān)“超級充電”電池比緩慢充電對電極要求更高的盛行觀點(diǎn)，來自美國斯坦福大學(xué)和美國能源部SLAC國家加速器實(shí)驗(yàn)室斯坦福大學(xué)材料與能源科學(xué)（SIMES）的研究人員這樣說道。

他們還表示科學(xué)家們或可能可以改變電池電極或者改變充電方式以提升統(tǒng)一的充電和放電過程，從而延長電池壽命。

“在充電和放電過程中電極里發(fā)生的化學(xué)過程的細(xì)節(jié)只是確定電池壽命的眾多因素之一，但這一因素在這項(xiàng)研究之前都尚未被完全理解，”研究高級作者、美國斯坦福大學(xué)材料科學(xué)和工程學(xué)院的助理教授、SIMES的闕宗仰(WilliamChueh)這樣說道。“我們發(fā)現(xiàn)了研究電池老化的新角度。”這些研究結(jié)果可以直接應(yīng)用于很多現(xiàn)代商業(yè)鋰電池所使用的氧化物和石墨電極。

這項(xiàng)研究被發(fā)表在9月14日的期刊《自然材料》上。研究小組還包括來自美國麻省理工學(xué)院、美國Sandia國家實(shí)驗(yàn)室、韓國三星尖端技術(shù)研究所和美國勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室的研究合作者。

觀察電池片里的離子

電池?fù)p耗的一個重要原因便是在充電和放電過程中，正負(fù)電極在吸收和釋放電解質(zhì)里的離子時自身的膨脹和收縮。在這項(xiàng)研究里科學(xué)家們研究了由幾十億個磷酸鐵鋰納米粒子組成的正電極，如果大多數(shù)或者全部離子都活躍參與充電和放電過程，那么它們會相對統(tǒng)一的吸收和釋放離子。但是如果只有少部分粒子吸收了所有離子，那么它們更可能破裂和損壞，減少電池的壽命。

有關(guān)納米粒子的特性和行為，與之前的研究產(chǎn)生了互相沖突的觀點(diǎn)。為了進(jìn)一步調(diào)查真相，研究人員制造了小型硬幣電池，利用不同的電流對它們進(jìn)行不同時長的充電，然后迅速將它們分離并沖洗組件從而阻止充電/放電過程。隨后科學(xué)家們將電極切成非常薄的片并將它們送至伯克利國家實(shí)驗(yàn)室利用高級光源同步加速器的密集的X設(shè)線進(jìn)行檢測。

快速放電的新見解

“我們一次可以研究上千個電極納米粒子并拍攝充電和放電過程中不同階段的快照，”研究首席作者、斯坦福大學(xué)的研究生李一洋（YiyangLi）這樣說道?！斑@項(xiàng)研究是首項(xiàng)在不同充電和放電條件下對充放電過程進(jìn)行的詳細(xì)全面調(diào)查?！?br/>
通過利用MIT研發(fā)的一個成熟模型分析數(shù)據(jù)，研究人員發(fā)現(xiàn)在充電過程中只有少部分納米粒子吸收和釋放離子，即使這個過程發(fā)生的非常迅速。但當(dāng)電池放電時，有趣的事發(fā)生了：隨著放電速率增加超過一定的極限，越來越多粒子開始同步吸收離子，轉(zhuǎn)變成一個更加統(tǒng)一、損害較少的模式。這表明科學(xué)家們可能可以扭曲電極材料或者這個過程從而在保證較長電池壽命的前提下，或者更快的充電和放電速率。

據(jù)李表示，接下來一步便是在上百次甚至是上千次的循環(huán)里運(yùn)行電池電極從而模擬真實(shí)世界的情況?？茖W(xué)家們希望能夠拍攝電池在充電和放電過程中的快照，而非中斷這個過程并將電池組件分離。這應(yīng)該可以產(chǎn)生更加現(xiàn)實(shí)的見解，且這個過程可以在同步加速器里，例如ALS或者SLAC斯坦福同步加速器輻射光源里進(jìn)行。李還表示目前研究小組正在與工業(yè)界密切合作，調(diào)查這些發(fā)現(xiàn)將如何應(yīng)用于運(yùn)輸和電子消費(fèi)品領(lǐng)域。

這項(xiàng)研究得到了韓國三星尖端技術(shù)研究所全球創(chuàng)新拓展項(xiàng)目、斯坦福工程學(xué)院和普雷科特能源學(xué)院、三星-MIT能源應(yīng)用的材料設(shè)計項(xiàng)目以及美國能源部的資金支持。