X射線圖像揭示電池磨損過程

電動(dòng)汽車所采用的鋰離子電池技術(shù)，和智能手機(jī)、筆記本電腦以及幾乎所有電子產(chǎn)品都一樣，但這項(xiàng)技術(shù)的改進(jìn)極其緩慢。雖然電動(dòng)汽車可以滿足大部分美國人日常出行的需要，而普通燃油車的行駛里程更遠(yuǎn)。除了充電站少這一問題，比起加油的時(shí)間，電池充電的時(shí)間也要長得多。為了提高鋰離子電池的充電能力，增加電動(dòng)汽車使用率，汽車行業(yè)不得不重新審視關(guān)于電池磨損的基礎(chǔ)科學(xué)。

據(jù)外媒報(bào)道，來自多個(gè)研究所的人員組成研究小組，對(duì)鋰離子電池的電極進(jìn)行迄今為止最全面的研究。他們發(fā)現(xiàn)，電池磨損的大部分原因在于反復(fù)充電。研究人員稱，制造商可以利用他們得出的信息，為智能手機(jī)或汽車設(shè)計(jì)更可靠、更耐用的電池。珀杜大學(xué)（Purdue University）機(jī)械工程助理教授Kejie Zhao說“有時(shí)候，創(chuàng)造知識(shí)比解決電池電極損傷更有價(jià)值。以前，人們沒有相關(guān)的技術(shù)或理論，來解釋電池電極損傷這一問題?！?/p>

研究人員提出的新技術(shù)本質(zhì)上是用人工智能驅(qū)動(dòng)的X射線工具，通過機(jī)器學(xué)習(xí)算法，一次性可自動(dòng)掃描鋰離子電池電極上的數(shù)千個(gè)粒子，一直到組成粒子的原子。一個(gè)電池電極中存在數(shù)百萬個(gè)粒子。現(xiàn)在，研究人員可以更徹底地對(duì)它們進(jìn)行分析，包括各種仿真運(yùn)行分析，比如不同的電壓窗口和充電速度。

Zhao的實(shí)驗(yàn)室研究電池在機(jī)械和電化學(xué)方面如何相互影響的基礎(chǔ)科學(xué)。他說“此前的大部分研究都集中在單個(gè)粒子水平上，并通過相關(guān)分析，來了解整個(gè)電池。但是，這兒顯然存在缺口，那就是微米尺度上的單個(gè)微粒，與整體的大電池比起來 ，有很多不同之處?！?/p>

每當(dāng)電池充電時(shí)，鋰離子就會(huì)在正負(fù)極之間來回移動(dòng)。這些離子與電極中的粒子相互作用，導(dǎo)致它們隨著時(shí)間的推移而破裂和降解。電極損壞會(huì)降低電池的充電能力。Zhao說，電池很難同時(shí)兼具高容量和可靠性。增加電池容量通常意味著犧牲可靠性。研究人員發(fā)現(xiàn)電池顆粒的降解不會(huì)同時(shí)同地發(fā)生，有些粒子比其他粒子失效更快，由此繪制出鋰離子電池的損傷圖。但是，現(xiàn)有方法無法完全捕捉到電池電極的損傷過程。為了進(jìn)行詳細(xì)研究，團(tuán)隊(duì)需要?jiǎng)?chuàng)造一種全新的技術(shù)。

研究人員求助于歐洲同步輻射裝置（ESRF）和斯坦福同步輻射光源（SSRL）的同步加速器。這些大型同步加速器設(shè)施長達(dá)數(shù)英里，承載著幾乎以光速運(yùn)動(dòng)的粒子，釋放出輻射，產(chǎn)生同步X射線圖像。弗吉尼亞理工大學(xué)的研究人員制造了用于測(cè)試的材料和電池，包括智能手機(jī)的口袋電池和手表的硬幣電池等。ESRF和SSRL的研究人員，設(shè)法使這些機(jī)器可以一次掃描電池中盡可能多的電極粒子，然后生成X射線圖像進(jìn)行分析。顆粒表面的顆粒破裂和降解圖，稱為“界面脫粘”，現(xiàn)在可以作為了解電池電極損傷程度的參考工具。

為了了解這些裂紋如何影響電池性能，Zhao在珀杜大學(xué)的團(tuán)隊(duì)開發(fā)了理論和計(jì)算工具。例如，他們發(fā)現(xiàn)，在鋰離子來回穿梭的地方，附近的粒子（稱為“分離器”）比電極材料底部的粒子使用率更高，所以，它們失效的速度更快。在較厚的電極和快速充電條件下，電極顆粒損傷或“非均質(zhì)退化”的變異性更為嚴(yán)重。Zhao說“電池容量并不取決于電池中的顆粒多少，重要的是如何使用鋰離子?！?/p>

考慮到美國只有幾個(gè)同步加速器，所以該項(xiàng)目并不能讓每個(gè)研究人員和行業(yè)參與者都采用這種技術(shù)，但他們可以利用這一技術(shù)所產(chǎn)生的信息。研究人員計(jì)劃繼續(xù)使用該技術(shù)來記錄損壞是如何發(fā)生的，以及如何影響商用電池的性能。