密歇根大学研究表明锂离子电池正极上的裂纹并非完全有害

电动悟空摘录 据外媒报道，密歇根大学（University of Michigan）研究表明，锂离子电池正极上的裂纹并非完全有害，而是可以加快电池的充电速度。

(来源:密歇根大学)

许多电动汽车制造商对此有不同的看法，通常会尽量减少裂纹，以免缩短电池的使用寿命。密歇根大学材料科学与工程助理教授Yiyang Li说:“很多公司都想用不破碎的颗粒来制造‘百万英里’电池。但是，如果去除裂纹，就不会有这些裂纹带来的额外表面积，电池颗粒也不会快速充电。旅行时，用户不想等5个小时来给汽车充电，而是想在15或30分钟内充满电。”

该团队认为，这一发现适用于一半以上的电动汽车电池，其中这些电池的正极由数万亿颗锂镍锰钴氧化物或锂镍钴铝氧化物制成的微粒组成。

从理论上讲，正极电荷的速度取决于颗粒的表面积与体积之比。小颗粒的充电速度比大颗粒快，因为它们的表面积高于体积，从而缩短了锂离子的扩散距离。然而，传统的方法不能直接测量单个正极颗粒的充电特性，只能测量构成电池正极的所有颗粒的平均值。这意味着过去对充电速度和正极颗粒大小之间关系的理解只是一个假设。

Jinhong，密歇根大学材料科学与工程博士生 Min说:“研究发现，正极颗粒破裂后，有更多的活性表面来吸收锂离子，不仅在颗粒的外表面，而且在裂纹内。研究人员已经知道颗粒会破裂，但没有测量破裂状态如何影响充电速度。”

了解正极裂纹的优点的关键是测量单个正极颗粒的充电速度。为此，研究人员通常将这些颗粒插入神经科学家中，以研究单个脑细胞如何传输电信号。Li说：“一位研究神经科学的同事向我展示了研究单个神经元的阵列。我想知道我们是否也可以用它们来研究电池颗粒，因为它们的大小与神经元相似。”

每个阵列都是定制设计的2 x 2厘米芯片，多达100个微电极。一些正极颗粒分散在芯片中心，然后研究人员使用比人类头发细70倍的针将单个颗粒移动到阵列上各自的电极上。当颗粒到位时，研究人员可以同时在阵列上充放电最多4个单独的颗粒。在这项特定的研究中，研究人员测量了21个颗粒。

实验表明，正极颗粒的充电速度并不取决于其大小。研究人员认为，这很可能是因为当大颗粒破裂时，它们实际上就像小颗粒的集合。另一种可能性是锂离子在晶体边界中移动得非常快（纳米级晶体之间的小空间构成正极颗粒）。然而，除非电池的电解质穿透这些边界形成裂缝，否则Li认为这是不可能的。

研究人员必须考虑破裂材料的优点，才能设计具有不破裂单晶颗粒的长寿命电池。这些颗粒可能小于当前正极破裂颗粒，以实现快速充电。Li说，另一种选择是用不同的材料制造单晶正极，以便更快地移动锂。然而，这些材料可能具有较低的能量密度或有限的必要金属供应。