芝加哥大学普利兹克分子工程学院结合高功率电子显微镜和计算模型

电动悟空摘录 锂离子电池广泛应用于手机、电动汽车等领域。然而，经过数百次充电循环，锂离子电池很容易降解，直到完全无法充电。

(图片来源:芝加哥大学)

据外国媒体报道，芝加哥大学普利兹克分子工程学院（PME）结合高功率电子显微镜和计算模型，研究人员从原子层面准确了解锂离子电池降解时会发生什么。这项研究指出了一种关注碳结合域的方法（carbon binder domain，CBD），锂离子电池可以设计更持久。研究负责人Y. Shirley Meng 教授说：这项工作是朝着更高效、更可持续的电池技术迈进的一步。”

在整个充电循环中，正负极的活性物质会膨胀收缩，不断产生颗粒裂纹等物理损伤，从而影响锂离子电池的性能。过去，锂离子电池的电极又小又薄，研究人员表示了颗粒裂纹和降解。然而，为了开发更大的电动汽车电池，电极变得更厚，能量密度更高。

加州大学圣地亚哥分校（University of California San Diego）项目科学家Minghao Zhang这意味着厚电极的动力学与薄电极的动力学大不相同。在更厚、能量更高的电极中，降解要严重得多。

Zhang对厚电极进行定量研究也比较困难。过去用于研究薄电极的工具无法观察到更大、更致密的材料结构。

结合显微镜和建模

在这项新研究中，Meng、Zhang赛默飞世尔科技（Thermo Fisher Scientific）研究人员使用等离子聚焦离子束扫描电子显微镜（PFIB-SEM），观察锂离子电池厚正极内部的变化。PFIB-SEM利用聚焦射线给离子和电子带电，从而构建材料三维结构的超高分辨率图像。

研究人员使用成像方法收集数据，包括一个新的正极和一个充电并耗尽15次的正极数据。该团队利用电子显微镜实验数据建立了计算模型，以显示电池的降解过程。PME博士后研究员Mehdi Chouchane正极是如何降解的，可以结合纳米级分辨率实验数据和模型来确定。没有模型，很难确定发生了什么。”

研究人员发现，电池区域之间的差异促进了许多结构变化。正极表面的薄层更容易发生电解质腐蚀。因此，顶层形成较厚的电阻层，导致底层的膨胀和收缩超过正极的其他部分，从而加速降解。

该模型还指出CBD的重要性。CBD它是一种由含氟聚合物和碳原子组成的多孔网络，可以将电极中的活性物质聚集在一起，有助于通过电池传导电能。在电池使用过程中，以前的研究没有表征CBD如何降解。新研究表明，随着时间的推移，CBD与正极活性材料接触的减弱直接导致锂离子电池性能下降。

Zhang这种变化甚至比活性物质的破裂更明显。过去，许多研究人员一直关注活性物质的破裂。

未来的电池

该团队利用正极模型讨论如何通过微调电极设计改变降解。研究人员表示，变化CBD有助于防止结构网络CBD与活性物质接触的恶化会延长电池寿命。现在，工程师们可以通过物理实验跟进这个假设。

该团队正在用同样的方法研究更厚的正极，并对如何减缓电极降解进行额外的建模。赛默飞世尔科技电池市场开发高级经理Dr. Zhao Liu该研究开发了一种方法，主要涉及如何设计电极来提高未来电池的性能。