研究发现提高电池寿命的关键：粒子间的相互作用
时间:2022-04-30 15:04来源:盖世汽车 作者:刘丽婷
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据外媒报道，弗吉尼亚理工学院（Virginia Tech College of Science）化学系副教授Feng Lin及其研究团队发现，早期的电池衰减似乎是由单个电极粒子的特性驱动的，但经过数十次充电循环后，这些粒子如何组合在一起更为重要。
Lin表示：“这项研究揭示如何设计和制造电池电极以获得较长的电池循环寿命的秘密。”目前，Lin的实验室致力于重新设计电池电极，以制造具备快速充电能力、成本更低、寿命更长且对环境友好的电极架构。
图片来源：Feng Lin
Lin表示：“当电极架构允许每个单独的粒子快速响应电信号时，我们将拥有一个很好的工具箱来快速为电池充电。我们很高兴能够实现对下一代低成本快速充电电池的理解。”
此次研究与美国能源部的SLAC国家加速器实验室、普渡大学（Purdue University）和欧洲同步辐射装置（European Synchrotron Radiation Facility）合作进行。Lin实验室的博士后研究员Zhengrui Xu和Dong Ho也是该论文的合著者，领导电极制造、电池制造和电池性能测量，并协助进行X射线实验和数据分析。
斯坦福同步加速器辐射光源（SSRL）研究员、SLAC科学家Yijin Liu说：“基本的构建块是构成电池电极的这些粒子，但是当放大时，这些粒子会相互作用。如果想制造更好的电池，就需要知道如何将粒子组合在一起。”
作为研究的一部分，Lin、Liu和其他同事使用计算机视觉技术来研究构成可充电电池电极的单个粒子是如何随着时间的推移而分解的。这次的目标不仅是研究单个粒子，还研究它们协同工作以延长或降低电池寿命的方式。其最终目标是学习新方法以延长电池设计的使用寿命。
作为研究的一部分，该团队用X射线研究了电池阴极。在经历不同的充电周期后，他们使用X射线断层扫描重建了电池阴极的3D图片。然后，他们将这些3D图片切割成一系列2D切片，并使用计算机视觉方法来识别粒子。除了Lin和Liu，该研究还包括SSRL博士后研究员Jizhou Li、普渡大学机械工程教授Keije Zhao和普渡大学研究生Nikhil Sharma。
研究人员最终确定了2,000多个单个粒子，不仅计算了单个粒子的特征，例如大小、形状和表面粗糙度，还计算了诸如粒子彼此直接接触的频率以及粒子的形状变化程度等特征。
接下来，他们对每种特性是如何导致粒子分解进行了研究，结果发现，在10次充电循环后，最大的因素是单个颗粒的特性，包括颗粒的球形程度以及颗粒体积与表面积的比率。然而，经过50次循环后，配对和组属性推动了粒子分解——例如两个粒子相距多远、形状有多大变化、以及更细长的足球形粒子是否具有相似的取向。
Liu称：“原因不再只是粒子本身，重要的是粒子与粒子的相互作用。这一发现很重要，因为这意味着制造商可以开发控制这些特性的技术。例如，他们可能能够使用磁场或电场将细长的粒子彼此对齐，而最新研究结果表明这将延长电池寿命。”
Lin补充说：“我们一直在大力研究如何让电动汽车电池在快速充电和低温条件下高效工作。除了通过使用更便宜、更丰富的原材料来设计可以降低电池成本的新材料外，我们的实验室还一直致力于了解远离平衡的电池行为。我们已经开始研究电池材料及其对恶劣环境的反应。”
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