2022年4月28日，美國SLAC國家加速器實驗室的劉宜晉，普渡大學趙克杰以及弗吉尼亞理工林鋒教授等人合作在Science上發表文章，Dynamics of particle network in composite battery cathodes，研究了復合電池陰極中粒子網絡的動力學。

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這項工作得到了VIRGINIA TECH的關注，并對作者進行了采訪，我們一起來看看作者是怎么看待這項工作的。

弗吉尼亞理工大學化學副教授林鋒說：“這項研究揭示了我們如何通過設計和制造電池電極，來延長電池的長循環壽命。”

它不會馬上奏效，你可能需要幾周的時間才能注意到。你的無線貓咪飲水機里有剛充過電的AA鋰電池，可以用兩天。它們曾經持續了一周或更長時間。經過另一輪充電，它們只持續了一天。很快，電量將變為0。如果你站在那里質疑自己的行為，“等等，我給這些充電了嗎？”，這也是情有可原的。

原因不在于你，而在于電池。沒有什么是永恒的，更不用提在商店購買的AA或AAA，還是我們手機、無線耳機或汽車內的所謂的耐用可充電池。電池都是會衰減的。

▲在林鋒的實驗室里，數百個電池放置在巨大的架子上

弗吉尼亞理工學院化學系副教授林鋒，2022年4月28日在Science上發表了一篇研究，重新審視了驅動電池壽命的因素，以及這些因素在快充條件下如何隨著時間的推移而變化。研究發現，早期電池的衰減似乎是由單個電極顆粒的性質驅動的，但在數十個充電周期后，這些粒子的組合方式更能影響電池衰退。

▲Virginia Tech的林鋒副教授在電池測試實驗室里拿著一個軟包電池

林說：“這項研究揭示了我們如何通過設計和制造電池電極，來延長電池的長循環壽命。”他的實驗室目前正在重新設計電池電極，其目標是制造出能夠快充的電極結構，以低成本來維持更長的壽命，并且對環境友好。

“當電極結構允許每個粒子快速響應電信號時，我們將有一個很好的工具箱來快速為電池充電。我們很高興能實現對下一代低成本、快充的電池進行理解，”林說。

林鋒是這項研究的資深作者之一，該研究與美國能源部SLAC國家加速器實驗室、普渡大學和歐洲同步輻射中心合作。

斯坦福同步加速輻射光源（SSRL）的研究員、論文的通訊作者、SLAC科學家劉宜晉說：“這些粒子構成了電池電極的基本結構，但當你放大看時，這些粒子會相互作用。因此，如果想制造更好的電池，需要看看如何將這些粒子放在一起。”

▲Virginia Tech的學者在研究用于制造鋰離子電池的高靈敏度化學物質

作為研究的一部分，林鋒、劉宜晉和其他同事使用計算機視覺技術來研究構成可充電電池電極的單個粒子如何隨著時間的推移而破裂。這次的目標不僅是研究單個粒子，而且研究它們協同工作以延長或降低電池壽命的方式。

最終目標是：學習新方法，從電池設計中延長電池壽命。

作為研究的一部分，該團隊利用X射線來研究電池陰極。在經歷了不同的充電周期后，他們使用X射線斷層掃描重建電池陰極的3D圖像。然后，他們將這些3D圖片切割成一系列2D切片，并使用計算機視覺方法來識別粒子。除了林鋒和劉宜晉外，這項研究還包括SSRL博士后研究員Jizhou Li、普渡大學機械工程教授趙克杰和普渡大學研究生Nikhil Sharma。

研究人員最終確定了2000多個單個粒子，他們不僅計算了單個粒子特征，如大小、形狀和表面粗糙度，還計算了顆粒直接接觸的頻率以及粒子形狀的變化程度等特征。

接下來，他們研究了這些屬性如何導致粒子的分解，并發現了一個令人震驚的模式：

在10個充電周期后，最大的因素是單個粒子的特性，包括粒子的球面性以及粒子體積與表面積的比率。然而，在50個周期后，配對和群屬性推動了粒子分解，例如兩個粒子相距多遠，形狀變化多大，以及更細長的足球狀粒子排列方向是否類似。

▲循環后，電池電極中的不均勻顆粒損傷

劉宜晉說：“它不再只是粒子本身。重要的是粒子-粒子相互作用，這很重要，因為這意味著制造商可以開發控制此類屬性的技術。例如，他們或許能夠使用磁場或電場將細長粒子對齊，新結果表明，這將延長電池壽命。”

林鋒補充說：“我們一直在大力研究如何在快速充電和低溫條件下讓電動汽車電池高效工作，除了使用更便宜、更豐富的原材料來降低電池成本的新材料外，我們的實驗室還一直在努力了解電池在非平衡態的行為，目前已經開始研究電池材料及其對這些惡劣條件的反應。”

趙克杰說：“電池顆粒就像人一樣，剛開始我們都走自己的路，但后來，我們遇到了其他人，我們最終成群結隊，朝著同一個方向前進。為了了解最大效率，我們需要研究粒子的個體行為以及這些粒子在群體中的行為。”

來源：

https://scitechdaily.com/new-research-examines-keys-to-making-batteries-last-longer/#google_vignette