充放電循環的背后：新研究揭示了影響新舊鋰電池壽命的關鍵因素

經歷 10 次充放電循環的一塊電池正極

起初，衰減似乎由單個電極粒子的特性所驅動。但在持續了數十次充放電循環后，這些粒子是如何組織到一起的，就顯得更加重要了。

SLAC 科學家、斯坦福同步加速器輻射光源研究員、兼這項研究的資深作者 Yijin Liu 表示：

構成電池電極的這些粒子，屬于最基本的構建塊。但當你放大后，就會注意到這些粒子的相互作用。

正因如此，若你想要打造更優秀的電池，就必須深入了解這些粒子是如何組合到一起的。

這項研究的重點，并不僅僅放在單個粒子上，還涉及它們的協同工作，以找到影響其壽命長短的模式。

于是在過往研究的基礎上，Liu 與同僚們借助了計算機視覺技術，來研究構成可充電電池電極的單個粒子，是如何隨時間推移而分解的。

研究資深作者、普渡大學機械工程教授 Keije Zhao 與弗吉尼亞理工大學化學教授 Feng Lin 拿人舉例稱：

一開始，電池粒子各走各的路。但最終，彼此之間就會撞到，然后一起朝著某個方向去使勁。

想要了解峰值效率，就必須深入研究粒子的個體、以及它們在群體中的行為。

（傳送門：Science）

為了探索這個想法，研究一作、SSRL 博士后研究員 Jizhou Li、普渡大學研究生 Nikhil Sharma 與其他同事展開了合作，以期用 X 射線對電池的陰極展開研究。

在經歷了 10 或 50 個充放電周期后，他們用 X 射線斷層掃描方法重建了 3D 圖像，然后將這些 3D 圖片分割成一系列 2D 切片、并使用計算機視覺方法來識別粒子。

最終他們確定了 2000+ 的單個粒子，不僅計算了每個粒子的大小、形狀、表面粗糙度等特征，還計算了更多的全局特性 —— 比如粒子彼此接觸的頻率與形狀變化程度。

接下來他們他們研究了這些細分特性是如何導致粒子分解的，并找到了一種不可忽略的模式 —— 即在 10 次充放電循環后，單個粒子的特性影響最大，包括顆粒的球形程度、以及體積 / 表面積比率。

然而在經歷了 50 次循環之后，兩個粒子相距多遠、其形狀發生了多大的變化、以及更細長的足球形粒子是否具有相似的取向，又在推動粒子分解這件事上發揮了更大的影響力。

Yijin Liu 補充道：換言之，與單個粒子相比，此時粒子間的相互作用變得更加重要。基于此，鋰電池制造商可嘗試開發出控制這種特性的相關技術。

比如他們可以借助磁場或電場，以將細長的粒子彼此對齊。新研究結果已經表明，這么做有助于延長電池的使用壽命。