作者格伦达·楚伊，美国国家加速器实验室 一个基于SLACx光实验的模拟显示了一个电池电极粒子在充电12分钟后会发生什么
当锂离子进入和离开时，粒子膨胀和收缩，导致粒子破裂(黑线)
然后电解液渗入这些裂缝并损坏内部，减少了锂离子的储存空间(红色区域)，从而降低了粒子储存能量的能力
研究发现，粒子表面和内部之间的相互作用对于理解这些损伤模式很重要
信用:S
李等
《自然通讯》，2020年 构成锂离子电池电极的粒子很微小，但很强大:它们决定了电池可以储存多少电荷，充电和放电的速度以及它如何随着时间的推移而保持——所有这些对于电动汽车或电子设备的高性能都至关重要
颗粒表面的裂缝和化学反应会降低性能，整个颗粒吸收和释放锂离子的能力也会随着时间而变化
科学家们对两者都进行了研究，但直到现在，他们还从未观察过单个粒子的表面和内部，以了解其中一个粒子发生的情况如何影响另一个粒子
在一项新的研究中，由能源部SLAC国家加速器实验室的刘一金领导的研究小组完成了这项工作
他们在针尖上粘贴了一个大约有红细胞大小的电池阴极粒子，并用两台x光仪器对其表面和内部进行了三维探测
他们发现，粒子表面的破裂和化学变化因地而异，与粒子内部的微观破裂区域相对应，这削弱了粒子储存能量的能力
“我们的结果表明，基本上粒子的表面和内部是相互交流的，”SLAC的首席科学家刘一金说，他在斯坦福同步辐射光源()实验室领导这项研究
“理解这种化学对话将有助于我们设计整个粒子，例如，使电池能够更快地循环
" 科学家们在今天的《自然通讯》上描述了他们的发现
内外损坏 锂离子电池通过在两个电极(阳极和阴极)之间来回移动锂离子来储存和释放能量
当你给电池充电时，锂离子涌入阳极储存
当你使用电池时，离子离开阳极，流入阴极，在那里产生电流
每个电极由许多微小颗粒组成，每个颗粒包含甚至更小的颗粒
它们的结构和化学性质是电池性能的关键
随着电池的充电和放电，锂离子从粒子原子之间的空间渗入和渗出，导致它们膨胀和收缩
随着时间的推移，这可能会使粒子破裂，降低它们吸收和释放离子的能力
粒子还会与周围的电解质发生反应，形成一个阻碍离子进出的表面层
随着裂缝的发展，电解液渗透得更深，损坏内部
用x光显微镜拍摄的图像显示了富含镍的层状氧化物电池电极中的颗粒(左)
在SLAC的一项研究中，科学家将一个带电粒子焊接到钨针尖(右)上，这样他们就可以用两台x光仪器探测其表面和内部
这个粒子大约有一个红细胞大小
信用:S
李等
《自然通讯》，2020年 这项研究集中在由富含镍的层状氧化物制成的颗粒上，理论上这种氧化物比今天的电池材料能储存更多的电荷
刘说，它还含有更少的钴，使它更便宜，更少道德问题，因为一些钴开采涉及不人道的条件
只有一个问题:在多轮高压充电过程中，粒子储存电荷的能力会迅速减弱——这种类型的高压充电是用来给电动汽车快速充电的
“电极中有数百万个粒子
每一个都像一个有许多谷粒的饭团，”刘说
“它们是电池的组成部分，每一个都是独一无二的，就像每个人都有不同的特点一样
" 驯服下一代材料 刘说，科学家们一直在研究两种最大限度地减少损伤和提高粒子性能的基本方法:在粒子表面涂一层保护涂层，以不同的方式将粒子聚集在一起，改变粒子的内部结构
“任何一种方法都可能有效，”刘说，“但是把它们结合起来会更有效，这就是为什么我们必须解决更大的问题。”
" 即将加入博士后研究队伍的李(音译)是的一名客座研究生，他领导的x光实验用两种仪器检测了一个充电电池中的单个针状阴极粒子，一种用于扫描表面，另一种用于探测内部
根据这些结果，由普渡大学副教授赵领导的理论家们开发了一个计算机模型，该模型显示了在12分钟的时间内，带电是如何损坏粒子的，以及这种损坏模式是如何反映表面和内部之间的相互作用的
“我们得到的图像是粒子中到处都有变化，”刘说
“例如，表面上的某些区域比其他区域退化得更多，这影响了内部的反应，这反过来又使表面以不同的方式退化
" 他说，现在研究小组计划将这项技术应用到他们过去研究过的其他电极材料上，特别关注充电速度如何影响损伤模式
“你希望能在10分钟内给你的电动车充电，而不是几个小时，”他说，“所以这是后续研究的一个重要方向
"
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