近日美國(guó)斯坦福大學(xué)進(jìn)行的一項(xiàng)對(duì)鋰電池電極里微小粒子的行為研究顯示，對(duì)電池快速充電然后用于高功率快速耗電的工作對(duì)電池的損傷可能沒(méi)有研究人員預(yù)想的那么糟糕，而緩慢充電和耗電所帶來(lái)的益處可能也被過(guò)度夸大。這項(xiàng)研究結(jié)果挑戰(zhàn)了有關(guān)“超級(jí)充電”電池比緩慢充電對(duì)電極要求更高的盛行觀點(diǎn)，來(lái)自美國(guó)斯坦福大學(xué)和美國(guó)能源部SLAC國(guó)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(shuō)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(guò)程，從而延長(zhǎng)電池壽命。

“在充電和放電過(guò)程中電極里發(fā)生的化學(xué)過(guò)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(jí)作者、美國(guó)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(shuō)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(lái)自美國(guó)麻省理工學(xué)院、美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、韓國(guó)三星尖端技術(shù)研究所和美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)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(gè)重要原因便是在充電和放電過(guò)程中，正負(fù)電極在吸收和釋放電解質(zhì)里的離子時(shí)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(gè)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(guò)程，那么它們會(huì)相對(duì)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(duì)它們進(jìn)行不同時(shí)長(zhǎng)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(guò)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(guó)家實(shí)驗(yàn)室利用高級(jí)光源同步加速器的密集的X設(shè)線進(jìn)行檢測(cè)。

快速放電的新見(jiàn)解

“我們一次可以研究上千個(gè)電極納米粒子并拍攝充電和放電過(guò)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(shuō)道。“這項(xiàng)研究是首項(xiàng)在不同充電和放電條件下對(duì)充放電過(guò)程進(jìn)行的詳細(xì)全面調(diào)查。”

通過(guò)利用MIT研發(fā)的一個(gè)成熟模型分析數(shù)據(jù)，研究人員發(fā)現(xiàn)在充電過(guò)程中只有少部分納米粒子吸收和釋放離子，即使這個(gè)過(guò)程發(fā)生的非常迅速。但當(dāng)電池放電時(shí)，有趣的事發(fā)生了：隨著放電速率增加超過(guò)一定的極限，越來(lái)越多粒子開(kāi)始同步吸收離子，轉(zhuǎn)變成一個(gè)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(gè)過(guò)程從而在保證較長(zhǎng)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(lái)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。科學(xué)家們希望能夠拍攝電池在充電和放電過(guò)程中的快照，而非中斷這個(gè)過(guò)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(jiàn)解，且這個(gè)過(guò)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(guó)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(jì)項(xiàng)目以及美國(guó)能源部的資金支持。