實(shí)時(shí)追蹤鋰電池衰降 反溯提升電池性能設(shè)計(jì)

對(duì)清潔電力、運(yùn)輸和便攜式設(shè)備而言，能量?jī)?chǔ)存是該領(lǐng)域發(fā)展面臨的最主要的一個(gè)瓶頸。鋰離子電池是目前最具前景的能量?jī)?chǔ)存設(shè)備，通過(guò)電極間可逆的活性反應(yīng)實(shí)現(xiàn)能量的儲(chǔ)存和釋放。

同時(shí)在電動(dòng)汽車領(lǐng)域也有著很大的發(fā)展，特斯拉 Model S 100D電動(dòng)汽車自2012年至今已從150公里的里程提升到至少500 km。但是鋰離子電池價(jià)格仍然很高(US$250每千瓦時(shí))且效率受限(200-250瓦時(shí)每千克)。

電極的衰減則是另一個(gè)十分重要的問(wèn)題，而這亦是難以解決的。電化學(xué)過(guò)程中涉及的反應(yīng)十分復(fù)雜且難以理解。主要決定于電極材料的性質(zhì)以及液相和固相電解質(zhì)。

為了更好的了解電極衰退的原因，研究者們需要找到新的方式來(lái)實(shí)時(shí)的追蹤電化學(xué)過(guò)程。顯微鏡和光譜對(duì)實(shí)現(xiàn)這一目的而言過(guò)于昂貴同時(shí)對(duì)技術(shù)人員的要求也很高。并且測(cè)試的環(huán)境遠(yuǎn)不同于電池使用的環(huán)境，因此所得的結(jié)果不一定精確。

因此，研究電池電極的結(jié)構(gòu)以及電化學(xué)反應(yīng)如何變化并找到合適的手段進(jìn)行追蹤是十分重要的。通過(guò)對(duì)電極變形以及反應(yīng)歷程的研究，可以發(fā)展目前世界急需的有效且價(jià)廉的電池。

近日，武漢理工大學(xué)麥立強(qiáng)教授、華盛頓大學(xué)晏夢(mèng)雨和哈佛大學(xué)趙云龍共同在Nature上發(fā)表題為“Track batteries degrading in real time”的評(píng)述，提出實(shí)時(shí)追蹤電池衰減的重要性以及目前的發(fā)展?fàn)顩r。并提出在解決這一課題中，實(shí)現(xiàn)政府、學(xué)術(shù)與工業(yè)合作的重要性。

鋰離子電池就如同一個(gè)黑盒子，研究者們可以在材料充電放電過(guò)程中或是經(jīng)過(guò)一系列循環(huán)后打開(kāi)它以檢測(cè)材料的狀態(tài)。但這就如同驚鴻一瞥般，對(duì)電池過(guò)程不能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的分析。況且電池中電化學(xué)反應(yīng)是十分迅速的，在空氣中許多化學(xué)成分會(huì)迅速變質(zhì)衰減。因此打開(kāi)電池監(jiān)控狀況是不適用的。

經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，對(duì)電池電極材料的研究方式也有著很大的突破。研制帶有硅納米線電池設(shè)備可以檢測(cè)電荷的傳輸以及電池運(yùn)行中硅納米線結(jié)構(gòu)的變化，從而反映電池狀態(tài)。另外，將電極材料拓寬到金屬氧化物、硫化物、氟化物及復(fù)合材料等，可利用X射線衍射、核磁共振、拉曼光譜及紅外光譜等對(duì)材料的不同形式進(jìn)行檢測(cè)從而研究電池狀態(tài)。

同時(shí)材料的電化學(xué)反應(yīng)以及衰減機(jī)制也逐漸明朗，為了降低衰減速度，可以制備結(jié)構(gòu)變形傾向小的電極材料或是預(yù)先就將鋰離子植入在電極材料中。

而這些方式也都有著很大的缺陷，難以實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)實(shí)時(shí)的特點(diǎn)，得出的結(jié)果往往不夠精確，測(cè)試的條件與電池運(yùn)行的狀態(tài)也大為不同，甚至一些檢測(cè)手段在測(cè)試過(guò)程中對(duì)材料本身就有著破壞作用。

現(xiàn)在，原位技術(shù)和納米材料的快速發(fā)展正為電池研究注入新血液。原位X射線和拉曼技術(shù)逐漸發(fā)展成為新的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，提高對(duì)電池運(yùn)行狀態(tài)的精確檢測(cè)，而一系列基于納米材料的電極材料可以提高電極材料的使用性能，推進(jìn)商業(yè)化應(yīng)用領(lǐng)域。

同時(shí)，實(shí)現(xiàn)不同單位的學(xué)術(shù)合作對(duì)課題的研究也十分重要，不同思想與技術(shù)的互融與貫通可以實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)。而與工業(yè)的有效結(jié)合亦十分重要，工業(yè)領(lǐng)域的工程師可以幫助解決技術(shù)問(wèn)題，這可以降低成本，跨越技術(shù)阻礙并加快商業(yè)化。而這也是未來(lái)的發(fā)展的需求與方向，可以加快技術(shù)的研發(fā)并推進(jìn)新一代電池的研究。

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