摘要： 2022年4月28日，《科学》发表了一项新的国际、多机构/大学研究， 该研究对驱动电池寿命的因素及这些因素在快速充电条件下如何随时间变化展开了新的观察 ，来自弗吉尼亚理工大学化学系的副教授Feng Lin就是其中一员。 研究发现，在早期，电池的衰减似乎是由单个电极颗粒的特性驱动的，但在几十个充电周期后，这些颗粒是如何组合在一起的才是更重要的。 Lin说道：“这项研究真正阐明了我们如何设计和制造电池电极，从而获得电池的长循环寿命。” 林说：”这项研究真正揭示了我们如何设计和制造电池电极以获得电池的长循环寿命。他的实验室现在正致力于重新设计电池电极，目标是制造出能够提供快速充电能力的电极架构，并以今天的一小部分成本维持更长的寿命，同时也是环保的。 “当电极架构允许每个单独的粒子快速响应电信号时，我们将有一个很好的工具箱来为电池快速充电。我们很高兴将这种理解落实到下一代低成本快速充电的电池上，”林说。 林是这项研究的共同第一作者，与美国能源部SLAC国家加速器实验室、普渡大学和欧洲同步辐射设施合作进行。林实验室的博士后研究人员徐正瑞和侯东也是该论文的共同作者，他们领导了电极制造、电池制造和电池性能测量，并协助进行X射线实验和数据分析。 “基本构件是构成电池电极的这些粒子，但当你放大后，这些粒子会相互作用，”SLAC科学家Yijin Liu说道，“（因此）如果你想建造一个更好的电池，你需要研究如何将这些粒子放在一起。”据悉，Liu是斯坦福同步辐射光源(SSRL)的研究员，也是该项研究的论文资深作者。 作为研究的一部分，Lin、Liu和其他同事使用计算机视觉技术来研究构成可充电电池电极的单个颗粒是如何随着时间的推移而破裂的。这次的目标不仅仅是研究单个颗粒，而是研究它们一起工作以延长-或降低-电池寿命的方式。他们的最终目标是：学习新方法，以从电池设计中挤出更多的寿命。 作为其研究的一部分，该团队用X射线研究了电池阴极。他们使用X射线断层扫描重建了电池阴极在经历了不同的充电周期后的3D图片。然后他们将这些3D图片切成一系列的2D切片并使用计算机视觉方法来识别颗粒。除了Lin和Liu之外，这项研究还包括SSRL博士后Jizhou Li、普渡大学机械工程教授Keije Zhao和普渡大学研究生Nikhil Sharma。 研究人员最终确定了2000多个单独的颗粒，他们不仅计算了单个颗粒的特征如尺寸、形状和表面粗糙度，而且还计算了颗粒之间直接接触的频率及颗粒形状的变化情况等特征。 接下来，他们研究了这些特性中的每一个是如何促成颗粒的破裂的并出现了一个惊人的模式。在10个充电周期后，最大的因素是单个颗粒的特性，其中包括颗粒的球形程度和颗粒体积跟表面积的比率。然而，在50个周期之后，成对和成组的属性–如两个颗粒之间的距离有多远、它们的形状有多大变化以及更细长的、足球形状的颗粒是否有类似的方向–推动了颗粒的破裂。 “它不再只是粒子本身。重要的是粒子跟粒子之间的相互作用。这很重要，因为它意味着制造商可以开发技术来控制这种特性。如他们可能能使用磁场或电场来使细长的粒子彼此对齐，新的结果表明这将导致更长的电池寿命，”Liu说道。 作为弗吉尼亚理工大学大分子创新研究所的成员和弗吉尼亚理工大学工程学院下属的材料科学与工程系的一名附属教员，Lin补充道：“我们一直在大力调查如何让电动汽车电池在快速充电和低温条件下高效工作。除了设计能通过使用更便宜、更丰富的原材料来降低电池成本的新材料外，我们的实验室还一直致力于了解远离平衡的电池行为。我们已经开始研究电池材料及其对这些恶劣条件的反应。” 普渡大学教授和共同第一作者Zhao则将退化问题比作人们在群体中工作。“电池颗粒就像人–我们一开始都走自己的路。但最终，我们遇到了其他的人，我们最终成群结队并朝着同一个方向前进。为了了解峰值效率，我们需要同时研究粒子的个体行为和这些粒子在群体中的行为，”Zhao说道。
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