鋰離子電池廣泛應(yīng)用于手機(jī)和電動(dòng)汽車(chē)等領(lǐng)域。但是，經(jīng)過(guò)數(shù)百次充電循環(huán)后，鋰離子電池容易降解，直至完全無(wú)法充電。
據(jù)外媒報(bào)道，芝加哥大學(xué)普利茲克分子工程學(xué)院（PME）的研究人員結(jié)合使用高功率電子顯微鏡和計(jì)算模型，從原子層面準(zhǔn)確了解鋰離子電池降解時(shí)會(huì)發(fā)生什么。這項(xiàng)研究指出了一種方法，通過(guò)關(guān)注一種經(jīng)常被忽視的結(jié)構(gòu)組分——碳結(jié)合域（carbon binder domain，CBD），可以設(shè)計(jì)更持久的鋰離子電池。研究負(fù)責(zé)人Y. Shirley Meng 教授表示：“這項(xiàng)工作是朝著更高效和可持續(xù)的電池技術(shù)邁出的一步?！?/p>
在整個(gè)充電循環(huán)中，正、負(fù)極的活性物質(zhì)會(huì)膨脹和收縮，不斷產(chǎn)生“顆粒裂紋”和其他物理?yè)p害，從而影響鋰離子電池的性能。以前，鋰離子電池的電極小而薄，研究人員曾對(duì)其中發(fā)生的顆粒裂紋和降解進(jìn)行過(guò)表征。然而，為了開(kāi)發(fā)更大的電動(dòng)汽車(chē)電池，現(xiàn)在電極變得更厚、能量密度更高。
加州大學(xué)圣地亞哥分校（University of California San Diego）的項(xiàng)目科學(xué)家Minghao Zhang表示，厚電極的動(dòng)力學(xué)與薄電極的動(dòng)力學(xué)有很大的不同。“在更厚、能量更高的電極中，實(shí)際上降解程度要嚴(yán)重得多。”
Zhang指出，對(duì)厚電極進(jìn)行定量研究也更難。以前用于研究薄電極的工具，無(wú)法觀(guān)察更大、更致密材料的結(jié)構(gòu)。
結(jié)合顯微鏡和建模
在這項(xiàng)新研究中，Meng、Zhang和賽默飛世爾科技（Thermo Fisher Scientific）的研究人員利用等離子聚焦離子束掃描電子顯微鏡（PFIB-SEM），觀(guān)察鋰離子電池厚正極內(nèi)部發(fā)生的變化。PFIB-SEM利用聚焦的射線(xiàn)使離子和電子帶電，從而構(gòu)建材料三維結(jié)構(gòu)的超高分辨率圖像。
研究人員利用成像方法來(lái)收集數(shù)據(jù)，包括一個(gè)全新的正極以及一個(gè)已經(jīng)充電并耗盡15次的正極的數(shù)據(jù)。利用電子顯微鏡實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，該團(tuán)隊(duì)建立了計(jì)算模型，從而表明電池的降解過(guò)程。PME博士后研究員Mehdi Chouchane表示：“通過(guò)結(jié)合納米級(jí)分辨率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和模型，可以確定正極是如何降解的。如果沒(méi)有模型，很難確定發(fā)生了什么?！?/p>
研究人員發(fā)現(xiàn)，電池各區(qū)域之間的差異，促使形成很多結(jié)構(gòu)上的變化。正極表面的薄層更容易發(fā)生電解質(zhì)腐蝕。因此，該頂層形成一個(gè)更厚的電阻層，導(dǎo)致底層的膨脹和收縮程度超過(guò)正極其他部分，從而加速降解。
該模型還指出了CBD的重要性。CBD是一種由含氟聚合物和碳原子組成的多孔網(wǎng)絡(luò)，可以將電極中的活性物質(zhì)聚集在一起，有助于通過(guò)電池傳導(dǎo)電能。以前的研究沒(méi)有表征，在電池使用過(guò)程中CBD是如何降解的。新的研究表明，隨著時(shí)間的推移，CBD與正極活性材料之間接觸的減弱，直接導(dǎo)致了鋰離子電池性能下降。
Zhang表示：“這一變化甚至比活性物質(zhì)的破裂更加明顯。過(guò)去，許多研究人員一直關(guān)注活性物質(zhì)破裂的問(wèn)題?！?/p>
未來(lái)的電池
該團(tuán)隊(duì)利用這一正極模型，探討如何通過(guò)微調(diào)電極設(shè)計(jì)來(lái)改變降解現(xiàn)象。研究人員表示，改變CBD結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，有助于防止CBD與活性物質(zhì)之間接觸狀況的惡化，從而延長(zhǎng)電池壽命?，F(xiàn)在，工程師們可以通過(guò)物理實(shí)驗(yàn)來(lái)跟進(jìn)這個(gè)假設(shè)。
該團(tuán)隊(duì)現(xiàn)正使用相同的方法來(lái)研究更厚的正極，并就如何減緩電極降解進(jìn)行額外建模。賽默飛世爾科技的電池市場(chǎng)開(kāi)發(fā)高級(jí)經(jīng)理Dr. Zhao Liu表示：“這項(xiàng)研究開(kāi)發(fā)了一種方法，主要涉及如何設(shè)計(jì)電極以提高未來(lái)電池的性能?！?/p>