研究人员放大电池磨损

从您第一次使用它的那一刻起，一块新的锂离子电池就在退化。数百次充电周期后，您会发现——您的手机、笔记本电脑或电动汽车电池会更快耗尽。最终，它完全停止充电。

芝加哥大学普利兹克分子工程学院 (PME) 的研究人员现在结合使用高功率电子显微镜和计算模型，在原子水平上准确了解锂离子电池退化时会发生什么。他们的研究指向了一种设计更持久锂离子电池的方法——通过关注一个经常被忽视的结构成分，即碳结合域 (CBD)。

“为了应对未来几十年世界上的许多能量存储和转换挑战，我们需要不断创新和改进电池，”领导这项研究的 Y. Shirley Meng 教授说，该研究发表在《焦耳》杂志上。“这项工作是朝着更高效和可持续的电池技术迈出的一步。”

有限的充电周期

二十世纪末锂离子电池的广泛商业化在轻型可充电电子产品的出现中发挥了重要作用。锂是最轻的金属，具有很高的能量密度重量比。当锂离子电池充电时，锂离子从带正电的阴极移动到带负电的阳极。为了释放能量，这些离子从阳极流回阴极。

在整个充电周期中，阴极和阳极的活性材料膨胀和收缩，累积“颗粒裂纹”和其他物理损坏。随着时间的推移，这会使锂离子电池的性能下降。

研究人员之前已经对锂离子电池的小而薄的电极中发生的颗粒开裂和降解进行了表征。然而，现在正在为更大的电池开发更厚、能量密度更高的电极——用于电动汽车、卡车和飞机等应用。

“厚电极的动力学与薄电极的动力学有很大不同，”加州大学圣地亚哥分校的项目科学家 Minghao Zhang 说，他是这篇新论文的共同第一作者。“在更厚、更高能量的电极中，退化实际上要严重得多，这一直是该领域的斗争。”

张指出，定量研究厚电极也更难。以前用于研究薄电极的工具无法捕获更大、更致密材料的结构。

结合显微镜和建模

在这项新工作中，Meng、Zhang 和 Thermo Fisher Scientific 的合作者转而使用等离子聚焦离子束扫描电子显微镜 (PFIB-SEM) 来观察厚锂离子电池阴极内部发生的变化。PFIB-SEM 使用带电离子和电子的聚焦射线来组合材料三维结构的超高分辨率图片。

研究人员使用成像方法收集了全新阴极以及已充电和耗尽 15 次的阴极的数据。利用电子显微镜实验的数据，该团队建立了计算模型来说明电池的退化过程。

“纳米级分辨率实验数据和建模的结合使我们能够确定阴极如何降解，”PME 博士后研究员、该论文的共同第一作者 Mehdi Chouchane 说。“如果没有建模，就很难证明发生了什么。”

研究人员发现，电池区域之间的差异促进了许多结构变化。电解液腐蚀更频繁地发生在阴极表面的薄层。因此，这个顶层形成了一个更厚的电阻层，导致底层比阴极的其他部分膨胀和收缩更多，从而导致更快的降解。

该模型还指出了 CBD 的重要性——一种由含氟聚合物和碳原子组成的多孔网格，将电极的活性材料保持在一起，有助于并帮助通过电池导电。之前的研究没有描述 CBD 在电池使用过程中如何降解，但新的工作表明，CBD 与阴极活性材料之间的接触减弱直接导致锂离子电池性能随时间下降。

“这种变化甚至比活性材料的开裂更明显，这是许多研究人员过去关注的问题，”张说。