【導讀】研究顯示，對電池快速充電然后用于高功率快速耗電的工作對電池的損傷可能沒有研究人員預想的那么糟糕，而緩慢充電和耗電所帶來的益處可能也被過度夸大。科學家們或可能可以改變電池電極或者改變充電方式以提升統(tǒng)一的充電和放電過程，從而延長電池壽命。
近日美國斯坦福大學進行的一項對鋰電池電極里微小粒子的行為研究顯示，對電池快速充電然后用于高功率快速耗電的工作對電池的損傷可能沒有研究人員預想的那么糟糕，而緩慢充電和耗電所帶來的益處可能也被過度夸大。這項研究結果挑戰(zhàn)了有關“超級充電”電池比緩慢充電對電極要求更高的盛行觀點，來自美國斯坦福大學和美國能源部SLAC國家加速器實驗室斯坦福大學材料與能源科學（SIMES）的研究人員這樣說道。他們還表示科學家們或可能可以改變電池電極或者改變充電方式以提升統(tǒng)一的充電和放電過程，從而延長電池壽命。
“在充電和放電過程中電極里發(fā)生的化學過程的細節(jié)只是確定電池壽命的眾多因素之一，但這一因素在這項研究之前都尚未被完全理解，”研究高級作者、美國斯坦福大學材料科學和工程學院的助理教授、SIMES的闕宗仰(William Chueh)這樣說道。“我們發(fā)現(xiàn)了研究電池老化的新角度。”這些研究結果可以直接應用于很多現(xiàn)代商業(yè)鋰電池所使用的氧化物和石墨電極。
這項研究被發(fā)表在9月14日的期刊《自然材料》上。研究小組還包括來自美國麻省理工學院、美國Sandia國家實驗室、韓國三星尖端技術研究所和美國勞倫斯伯克利國家實驗室的研究合作者。
觀察電池片里的離子
電池損耗的一個重要原因便是在充電和放電過程中，正負電極在吸收和釋放電解質里的離子時自身的膨脹和收縮。在這項研究里科學家們研究了由幾十億個磷酸鐵鋰納米粒子組成的正電極，如果大多數(shù)或者全部離子都活躍參與充電和放電過程，那么它們會相對統(tǒng)一的吸收和釋放離子。但是如果只有少部分粒子吸收了所有離子，那么它們更可能破裂和損壞，減少電池的壽命。
有關納米粒子的特性和行為，與之前的研究產生了互相沖突的觀點。為了進一步調查真相，研究人員制造了小型硬幣電池，利用不同的電流對它們進行不同時長的充電，然后迅速將它們分離并沖洗組件從而阻止充電/放電過程。隨后科學家們將電極切成非常薄的片并將它們送至伯克利國家實驗室利用高級光源同步加速器的密集的X設線進行檢測。
快速放電的新見解
“我們一次可以研究上千個電極納米粒子并拍攝充電和放電過程中不同階段的快照，”研究首席作者、斯坦福大學的研究生李一洋（Yiyang Li）這樣說道。“這項研究是首項在不同充電和放電條件下對充放電過程進行的詳細全面調查。”
通過利用MIT研發(fā)的一個成熟模型分析數(shù)據(jù)，研究人員發(fā)現(xiàn)在充電過程中只有少部分納米粒子吸收和釋放離子，即使這個過程發(fā)生的非常迅速。但當電池放電時，有趣的事發(fā)生了：隨著放電速率增加超過一定的極限，越來越多粒子開始同步吸收離子，轉變成一個更加統(tǒng)一、損害較少的模式。這表明科學家們可能可以扭曲電極材料或者這個過程從而在保證較長電池壽命的前提下，或者更快的充電和放電速率。
據(jù)李表示，接下來一步便是在上百次甚至是上千次的循環(huán)里運行電池電極從而模擬真實世界的情況。科學家們希望能夠拍攝電池在充電和放電過程中的快照，而非中斷這個過程并將電池組件分離。這應該可以產生更加現(xiàn)實的見解，且這個過程可以在同步加速器里，例如ALS或者SLAC斯坦福同步加速器輻射光源里進行。李還表示目前研究小組正在與工業(yè)界密切合作，調查這些發(fā)現(xiàn)將如何應用于運輸和電子消費品領域。
這項研究得到了韓國三星尖端技術研究所全球創(chuàng)新拓展項目、斯坦福工程學院和普雷科特能源學院、三星-MIT能源應用的材料設計項目以及美國能源部的資金支持。
