經(jīng)歷 10 次充放電循環(huán)的一塊電池正極

起初，衰減似乎由單個(gè)電極粒子的特性所驅(qū)動。但在持續(xù)了數(shù)十次充放電循環(huán)后，這些粒子是如何組織到一起的，就顯得更加重要了。

SLAC 科學(xué)家、斯坦福同步加速器輻射光源研究員、兼這項(xiàng)研究的資深作者 Yijin Liu 表示：

構(gòu)成電池電極的這些粒子，屬于最基本的構(gòu)建塊。但當(dāng)你放大后，就會注意到這些粒子的相互作用。

正因如此，若你想要打造更優(yōu)秀的電池，就必須深入了解這些粒子是如何組合到一起的。

這項(xiàng)研究的重點(diǎn)，并不僅僅放在單個(gè)粒子上，還涉及它們的協(xié)同工作，以找到影響其壽命長短的模式。

于是在過往研究的基礎(chǔ)上，Liu 與同僚們借助了計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)，來研究構(gòu)成可充電電池電極的單個(gè)粒子，是如何隨時(shí)間推移而分解的。

研究資深作者、普渡大學(xué)機(jī)械工程教授 Keije Zhao 與弗吉尼亞理工大學(xué)化學(xué)教授 Feng Lin 拿人舉例稱：

一開始，電池粒子各走各的路。但最終，彼此之間就會撞到，然后一起朝著某個(gè)方向去使勁。

想要了解峰值效率，就必須深入研究粒子的個(gè)體、以及它們在群體中的行為。

（傳送門：Science）

為了探索這個(gè)想法，研究一作、SSRL 博士后研究員 Jizhou Li、普渡大學(xué)研究生 Nikhil Sharma 與其他同事展開了合作，以期用 X 射線對電池的陰極展開研究。

在經(jīng)歷了 10 或 50 個(gè)充放電周期后，他們用 X 射線斷層掃描方法重建了 3D 圖像，然后將這些 3D 圖片分割成一系列 2D 切片、并使用計(jì)算機(jī)視覺方法來識別粒子。

最終他們確定了 2000+ 的單個(gè)粒子，不僅計(jì)算了每個(gè)粒子的大小、形狀、表面粗糙度等特征，還計(jì)算了更多的全局特性 —— 比如粒子彼此接觸的頻率與形狀變化程度。

接下來他們他們研究了這些細(xì)分特性是如何導(dǎo)致粒子分解的，并找到了一種不可忽略的模式 —— 即在 10 次充放電循環(huán)后，單個(gè)粒子的特性影響最大，包括顆粒的球形程度、以及體積 / 表面積比率。

然而在經(jīng)歷了 50 次循環(huán)之后，兩個(gè)粒子相距多遠(yuǎn)、其形狀發(fā)生了多大的變化、以及更細(xì)長的足球形粒子是否具有相似的取向，又在推動粒子分解這件事上發(fā)揮了更大的影響力。

Yijin Liu 補(bǔ)充道：換言之，與單個(gè)粒子相比，此時(shí)粒子間的相互作用變得更加重要。基于此，鋰電池制造商可嘗試開發(fā)出控制這種特性的相關(guān)技術(shù)。

比如他們可以借助磁場或電場，以將細(xì)長的粒子彼此對齊。新研究結(jié)果已經(jīng)表明，這么做有助于延長電池的使用壽命。