博士生Shubham Agrawal手持一个原位硬币电池，其中心有一个用于光学观察的玻璃窗。功劳:拉杰夫·戈帕尔在地球上由于重力产生的加速度约为9.8米/秒2，但如果你试图建造一枚能够逃脱地球引力的火箭，你必须做得更好。你需要考虑风阻、热量和其他因素。在现实世界中，力是相互影响的，有时直到你看到火箭在运动，你才明白是怎么回事。圣路易斯华盛顿大学麦克勒维工程学院能源、环境和化学工程系助理教授白鹏实验室的新研究呼应了这一概念。
通过观察电荷一个接一个地穿过锂离子电池电极，并通过图像分析计算任何给定点的真实电流密度，白已经能够确定需要做些什么来构建更安全的电池，而这与单个粒子的能力无关。
相反，粒子需要分担负担。
“我们需要促进更多的粒子参与”整个电极的反应，白说。"然后我们可以降低实际的局部电流密度，避免产生危险的热点."
这项研究于2021年2月12日在线发表在《高级能源材料》杂志上。
白和白实验室的博士生舒巴姆·阿格拉瓦尔用石墨作为模型系统来研究锂离子电池电极中电荷的运动。石墨是商用锂离子电池的标准阳极材料。在电池充电过程中，锂离子可以扩散到石墨晶体结构的空位中，并引发所谓的固态相变。结果，随着越来越多的锂离子被容纳，石墨的诱导新相，即锂化石墨，从深灰色变成蓝色，再变成红色，最后变成金。
这种特殊的光学性质使白和阿格沃尔能够直接测定锂离子在电极中的分布。通过进一步的图像分析，他们可以确定电荷的运动。“当我们开始给电极充电时，我们只看到少数区域变色，”阿格沃尔说，“但非常大的区域仍然是灰色的。”
在分析了电极在充电过程中的数千张图像后，他们能够确定变色区域的真实电流密度(单位时间内特定区域累积电荷的量度)。灰色区域的电流密度为零。
“类似的现象以前也有报道，”白说，“但只有动力学可以用数学模型来解释，我们才能称之为高保真的真理。”在这项工作中，白开发了一个新的数学模型，可以精确地将观察到的电荷运动与测量到的电流密度联系起来。“局部电流密度至少比表观电流密度高两个数量级，”白说，他把电流密度较高的地方称为“热点”
视在电流密度是电极整个区域总电流的平均值，包括无效灰色区域，这是电池设计中当前使用的量。“但现在很明显，真正重要的是当地的电流密度，”白说。局部热点会影响电池的功能，从降低其效率到导致电池故障，使其具有潜在的危险。
“基于同步加速器x光的方法通常用于这种类型的表征，”阿格沃尔说，“但我们在这里证明了一种经济的台式光学显微镜可以提供非常有用的补充信息。”这种方法帮助阿格拉瓦尔为他的每个硬币单元获得了成千上万的图像。这些结果确保了数学模型及其产生的物理见解的全面验证。
实验电池通常是专门设计的，其结构和工作条件可能与商用电池大不相同。“这就是为什么我们必须使用一个数学模型来考虑所有的差异，并将理解转化为适合实际应用的指导，”白说。
“当你真正检查局部电流密度时，你会意识到它是由相变控制的，在两个层面上，”白说。它决定了有多少粒子参与反应，以及一种颜色扫过单个粒子的速度。白补充说，重要的是，现在他们了解了电池内部实际发生的情况以及驱动电池的过程。“你不能用非常成熟的经典电化学理论来理解厚多孔电极中的电化学工程问题。”
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