研究發現提高電池壽命的關鍵：粒子間的相互作用
時間:2022-04-30 15:04來源:蓋世汽車 作者:劉麗婷
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據外媒報道，弗吉尼亞理工學院（Virginia Tech College of Science）化學系副教授Feng Lin及其研究團隊發現，早期的電池衰減似乎是由單個電極粒子的特性驅動的，但經過數十次充電循環后，這些粒子如何組合在一起更為重要。
Lin表示：“這項研究揭示如何設計和制造電池電極以獲得較長的電池循環壽命的秘密。”目前，Lin的實驗室致力于重新設計電池電極，以制造具備快速充電能力、成本更低、壽命更長且對環境友好的電極架構。
圖片來源：Feng Lin
Lin表示：“當電極架構允許每個單獨的粒子快速響應電信號時，我們將擁有一個很好的工具箱來快速為電池充電。我們很高興能夠實現對下一代低成本快速充電電池的理解。”
此次研究與美國能源部的SLAC國家加速器實驗室、普渡大學（Purdue University）和歐洲同步輻射裝置（European Synchrotron Radiation Facility）合作進行。Lin實驗室的博士后研究員Zhengrui Xu和Dong Ho也是該論文的合著者，領導電極制造、電池制造和電池性能測量，并協助進行X射線實驗和數據分析。
斯坦福同步加速器輻射光源（SSRL）研究員、SLAC科學家Yijin Liu說：“基本的構建塊是構成電池電極的這些粒子，但是當放大時，這些粒子會相互作用。如果想制造更好的電池，就需要知道如何將粒子組合在一起。”
作為研究的一部分，Lin、Liu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是如何隨著時間的推移而分解的。這次的目標不僅是研究單個粒子，還研究它們協同工作以延長或降低電池壽命的方式。其最終目標是學習新方法以延長電池設計的使用壽命。
作為研究的一部分，該團隊用X射線研究了電池陰極。在經歷不同的充電周期后，他們使用X射線斷層掃描重建了電池陰極的3D圖片。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Lin和Liu，該研究還包括SSRL博士后研究員Jizhou Li、普渡大學機械工程教授Keije Zhao和普渡大學研究生Nikhil Sharma。
研究人員最終確定了2,000多個單個粒子，不僅計算了單個粒子的特征，例如大小、形狀和表面粗糙度，還計算了諸如粒子彼此直接接觸的頻率以及粒子的形狀變化程度等特征。
接下來，他們對每種特性是如何導致粒子分解進行了研究，結果發現，在10次充電循環后，最大的因素是單個顆粒的特性，包括顆粒的球形程度以及顆粒體積與表面積的比率。然而，經過50次循環后，配對和組屬性推動了粒子分解——例如兩個粒子相距多遠、形狀有多大變化、以及更細長的足球形粒子是否具有相似的取向。
Liu稱：“原因不再只是粒子本身，重要的是粒子與粒子的相互作用。這一發現很重要，因為這意味著制造商可以開發控制這些特性的技術。例如，他們可能能夠使用磁場或電場將細長的粒子彼此對齊，而最新研究結果表明這將延長電池壽命。”
Lin補充說：“我們一直在大力研究如何讓電動汽車電池在快速充電和低溫條件下高效工作。除了通過使用更便宜、更豐富的原材料來設計可以降低電池成本的新材料外，我們的實驗室還一直致力于了解遠離平衡的電池行為。我們已經開始研究電池材料及其對惡劣環境的反應。”
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