科学家从内到外研究电极颗粒的化学性质

构成锂离子电池电极的颗粒很小，但很强大：它们决定了电池的电荷存储容量、充电和放电速度，以及一定时间内的耗电趋势。对于电动汽车或电子设备来说，这些都是决定性能的重要因素。颗粒表面出现裂纹或化学反应会降低性能，随着时间的推移，整个颗粒吸收和释放锂离子的能力会逐渐改变。科学家们对这两者都进行了研究，但从未同时观察过单个粒子的表面和内部，以了解它们的相互作用。

据外媒报道，SLAC国家加速器实验室的Yijin Liu带领研究团队进行了一项新的研究。他们将电池的正极颗粒插入针尖，并使用两台X射线仪器对其表面和内部进行3D检测。他们发现，粒子表面不同位置产生的裂纹和化学变化差异很大，与粒子内部深处的微观裂纹相对应，从而削弱了它们储存能量的能力。Yijin Liu说：“研究结果表明，颗粒的表面和内部基本上是相互连接的。了解它们之间的化学对话可以帮助我们设计整个颗粒，并加速电池循环。”内部和外部都受到损坏，锂离子电池的电极由许多颗粒组成，每个颗粒都含有较小的颗粒。它们的结构和化学财产是决定电池性能的关键因素。在电池的充放电过程中，锂离子会进出颗粒原子之间的空间，导致颗粒膨胀和收缩。随着时间的推移，这会导致颗粒破裂，降低其吸收和释放离子的能力。颗粒还会与周围的电解质发生反应，形成防止离子进出的表面层。随着裂纹的扩展，电解液将进一步渗透并损坏内部结构。这项研究的重点是由富镍氧化物层制成的颗粒。理论上，与目前的电池材料相比，这种氧化物可以储存更多的电荷。此外，其钴含量较低，从而降低了成本。然而，这种材料有一个问题：经过多次高压充电过程后，这些颗粒的储能能力会迅速消失。快速充电电动汽车通常使用高压充电系统。开发下一代材料的科学家们一直在研究两种基本方法，以最大限度地减少损伤并提高颗粒性能：在表面涂上保护涂层，或以不同的方式将颗粒包裹在一起，以改变内部结构。刘说，“这两种方法可能都有效，但结合起来会更有效，我们应该着眼于更大的前景。”李少峰研究员负责X射线实验，使用两种仪器检测可充电电池的针装正极颗粒，一种扫描表面，另一种检测内部。基于这些结果，普渡大学副教授赵克杰带领理论家开发了一个计算机模型，展示了电荷如何在12分钟内摧毁粒子，以及这种破坏模式如何反映粒子表面和内部之间的相互作用。从获得的图像中可以看出，粒子中到处都有变化。例如，表面上的某些区域比其他区域更容易降解，从而影响内部反应，而内部反应又会以不同的方式导致表面降解。研究团队计划将这项技术应用于他们之前研究过的其他电极材料，重点研究充电速度如何影响损伤模式。你希望能在10分钟内给你的电动汽车充电，而不是几个小时。这将是未来研究的一个重要方向

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