特斯拉 S 系列 - 儀表板。(參考圖片由Flickr的 Wesley Fryer 提供)。

美國能源部 SLAC 國家加速器實驗室、普渡大學、弗吉尼亞理工大學和歐洲同步加速器輻射設施的研究人員發現，鋰離子電池衰減背后的因素會隨著時間而變化。

在發表在《科學》雜志上的一篇論文中，該小組解釋說，早期，衰變似乎是由單個電極粒子的特性驅動的，但經過幾十個充電循環后，這些粒子如何組合在一起更重要。

“基本的構建塊是構成電池電極的這些粒子，但是當你放大時，這些粒子會相互作用，”該論文的資深作者劉一進在一份媒體聲明中說。因此，“如果你想制造更好的電池，你需要看看如何將粒子組合在一起。”

考慮到這一目標，Liu 及其同事決定不僅關注單個粒子，還關注它們協同工作以延長或降低電池壽命的方式。

“電池顆粒就像人——我們都開始走自己的路，”該研究的共同高級作者趙凱杰說。“但最終我們遇到其他人，我們最終成群結隊，朝著同一個方向前進。要了解峰值效率，我們需要研究粒子的個體行為以及這些粒子在群體中的行為方式。”

使用 X 射線進行更深入的觀察

為了進一步探索這個想法，科學家們使用 X 射線斷層掃描來重建陰極在經歷 10 或 50 個充電周期后的 3D 圖像。他們將這些 3D 圖片切割成一系列 2D 切片，并使用計算機視覺方法來識別粒子。

然后，他們能夠識別出 2,000 多個單個粒子，他們不僅計算了單個粒子的特征，例如大小、形狀和表面粗糙度，還計算了更多的全局特征，例如粒子彼此直接接觸的頻率以及變化的程度。粒子的形狀是。

接下來，他們研究了這些特性中的每一個是如何導致粒子分解的，并出現了一種模式。在 10次充電循環后，最大的因素是單個顆粒的特性，包括顆粒的球形程度以及顆粒體積與表面積的比率。然而，經過 50 次循環后，配對和組屬性——例如兩個粒子相距多遠、它們的形狀有多大變化以及更細長的足球形粒子是否具有相似的取向——推動了粒子分解。

“它不再只是粒子本身。重要的是粒子-粒子的相互作用，”劉說。

在他看來，這很重要，因為這意味著制造商可以開發控制這些特性的技術。例如，他們可能能夠使用磁場或電場將細長的粒子彼此對齊，新結果表明這將延長電池壽命。

“這項研究真正揭示了我們如何設計和制造電池電極以獲得電池的長循環壽命，”合著者馮林說。“我們很高興能夠實現對下一代低成本快速充電電池的理解。”