科学家们从内到外探究单个电池电极颗粒的化学性质

组成锂离子电池电极的微粒是微小的但有力的：它们确定电池可以存储多少电荷，充电和放电的速度以及随着时间的推移保持的时间-这对于电动汽车或电子产品的高性能至关重要设备。

粒子表面上的裂纹和化学反应会降低性能，整个粒子吸收和释放锂离子的能力也会随着时间而变化。科学家们已经研究了两者，但是直到现在，他们还从未同时研究过单个粒子的表面和内部，以了解一个粒子的发生如何影响另一个粒子。

在一项新研究中，由能源部SLAC国家加速器实验室的Liu Yijin领导的研究小组做到了这一点。他们将单个电池阴极颗粒(约红血球大小)粘在针尖上，并用两台X射线仪器以3-D方式探测其表面和内部。他们发现粒子表面的开裂和化学变化随位置的变化很大，并且与粒子内部深处的微观开裂区域相对应，从而削弱了其存储能量的能力。

SLAC首席科学家刘益进说：“我们的结果表明，粒子的表面和内部基本上是互相交谈的。”他是该实验室的斯坦福同步加速器辐射光源(SSRL)的研究负责人。“理解这种化学对话将帮助我们设计整个粒子，例如，使电池循环更快。”

科学家今天在《自然通讯》中描述了他们的发现。

内外兼备

锂离子电池通过使锂离子通过电解质在两个电极(阳极和阴极)之间来回移动来存储和释放能量。给电池充电时，锂离子会冲入负极进行存储。当您使用电池时，离子会离开阳极并流入阴极，并在阴极产生电流。

每个电极都包含许多微观粒子，每个粒子甚至包含更小的晶粒。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，锂离子会渗入和脱离颗粒原子之间的空间，从而使它们膨胀和收缩。随着时间的流逝，这可能会使粒子破裂和破裂，从而降低其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，形成一个表面层，该表面层会阻碍离子进入和离开。随着裂纹的发展，电解液会更深地渗透，从而损坏内部。

这项研究的重点是由富镍层状氧化物制成的颗粒，从理论上讲，它可以比当今的电池材料存储更多的电荷。刘说，由于钴的开采涉及不人道的条件，它还含有较少的钴，使其更便宜，在道德上也没有问题。

仅有一个问题：在多轮高压充电期间，颗粒用于存储电荷的能力迅速下降(这种类型的电荷用于对电动汽车进行快速充电)。

刘说：“电极中有数以百万计的颗粒。每个颗粒都像一个装有许多谷物的饭团。” “它们是电池的基石，每个电池都是独特的，就像每个人都有不同的特征一样。”

驯服下一代材料

刘说，科学家们一直在研究两种基本方法来最大程度地减少损坏并提高颗粒的性能：在表面上涂一层保护涂层，并以不同的方式将颗粒堆积在一起以改变内部结构。刘说：“两种方法都可能有效，但是将它们结合起来会更加有效，这就是为什么我们必须着眼于大局。”

李少峰(SSRL)的访问研究生，将作为SLAC的博士后研究员加入SLAC。他进行了X射线实验，该实验使用两种仪器检查了带电电池中单个安装在针上的阴极颗粒，一种扫描表面，另一种探测室内。基于这些结果，由普渡大学副教授赵克杰领导的理论家开发了一种计算机模型，该模型显示了带电将如何在12分钟的时间内损坏粒子，以及这种损坏方式如何反映表面与内部之间的相互作用。

刘说：“我们得到的图像是粒子中到处都有变化。” “例如，表面上的某些区域比其他区域退化得更多，这会影响内部的反应方式，从而使表面以不同的方式退化。”

他说，现在，该团队计划将该技术应用于他们过去研究过的其他电极材料，尤其要注意充电速度如何影响损坏方式。他说：“您希望能够在10分钟而不是几个小时内给电动汽车充电，所以这是后续研究的重要方向。”

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