研究人员开发新型拉伸电极 提高电池的存储容量和寿命

据国外媒体报道，电池已经广泛应用于电动汽车、电子设备等领域，有望成为一种可持续的储能选择。众所周知，每天给电池充电会使其功能逐渐衰退。最终更换这些电池不仅成本高，还会消耗稀土资源。

(来源:viterbischool)

据国外媒体报道，缩短电池寿命的关键因素是电池结构完整性的退化。为了防止结构退化，USC维特比工程学院的研究团队希望通过“拉伸”使电池材料能够反复循环而不出现结构疲劳。这项研究由航空航天和机械工程领域的WiSE Gabilan助理教授Ananya Renuka-Balakrishna、该校博士生张德邻和布朗大学教授布莱恩·谢尔登(Brian Sheldon)领导。

通常在电池充放电过程中，离子在电极中反复嵌入和脱出，从而使电极晶格膨胀和压缩。随着时间的推移，这些体积变化会逐渐导致电极材料出现微裂纹、裂缝和缺陷，最终导致结构退化和电池容量下降，不得不更换新电池。

为了防止这种情况，研究人员提前拉伸了这些夹层电极。通过改变初始应力状态来调节相变电压，从而使电极更具弹性，并改善断裂或非晶化(其结晶特性的损失)现象。

电压范围更宽，容量更大

当电池材料的物理形态发生变化时，就会发生相变，这是日常充电和使用过程中的膨胀压缩循环造成的。这些相变使得电极更容易发生结构退化，尤其是当这一过程重复发生时。保持电池长期有效的关键是相位可逆性。雷努卡-巴拉克里希纳说:“确保物质保持其结晶形态可以充分增强可逆性。在一定电压下，当从一种相变为另一种相时，材料会变成粉末，不利于电池的高效运行。”

为了在能源景观之间循环时保持电池材料的结晶状态，研究人员通过引入初始应力状态来改变材料的结构。张说:“通过在充电和放电前拉伸电极，我们正在改变电极从充电状态到放电状态的能量景观。通过初始应变，可以降低这些转变的能垒，从而防止有害的晶格变形和材料失效。这种能源格局的变化有助于防止微裂纹和裂缝，保护电池的可持续性和储能能力。”

此外，通过拉伸电极，电池可以工作在更宽的电压窗口，从而提高其储能能力。

现代储能面临的挑战

研究人员表示，储能领域的主要关注点之一是摆脱电池中常用的易燃液体电解质，将其放入固体材料中。众所周知，随着时间的推移，固体物体会受到反复的压缩而损坏。一旦出现裂缝，表面的两面就会失去接触。就电池而言，这会引起简单的机械问题，因为没有连接很难转移材料中的离子。

张指出的方法试图解决这一机械挑战，以开发更安全、更可持续的电池。研究人员表示，其新颖性在于通过引入基本的力学概念来延长现有材料的寿命，而不是寻找新材料来延长电池的寿命。雷努卡-巴拉克里希纳说:“在开发电池的过程中，并不总是包含机械概念。现在工程师们可以利用张开发研究的这一理论和工具来设计和改变电池材料的有效期。”

研究人员表示，延长电池的使用寿命将有助于延长设备的使用寿命，充分降低更换电池的频率，使电子设备和电动汽车的用户受益。考虑到锂离子电池的成本，久而久之会为用户省下不少钱。此外，可持续储能是减排和减少废电池的重要组成部分。Th……研究人员希望通过这项工作，开辟新的研究路线，提高材料的可逆性。据国外媒体报道，电池已经广泛应用于电动汽车、电子设备等领域，有望成为一种可持续的储能选择。众所周知，每天给电池充电会使其功能逐渐衰退。最终更换这些电池不仅成本高，还会消耗稀土资源。

(来源:viterbischool)

据国外媒体报道，缩短电池寿命的关键因素是电池结构完整性的退化。为了防止结构退化，USC维特比工程学院的研究团队希望通过“拉伸”使电池材料能够反复循环而不出现结构疲劳。这项研究由航空航天和机械工程领域的WiSE Gabilan助理教授Ananya Renuka-Balakrishna、该校博士生张德邻和布朗大学教授布莱恩·谢尔登(Brian Sheldon)领导。

通常在电池充放电过程中，离子在电极中反复嵌入和脱出，从而使电极晶格膨胀和压缩。随着时间的推移，这些体积变化会逐渐导致电极材料出现微裂纹、裂缝和缺陷，最终导致结构退化和电池容量下降，不得不更换新电池。

为了防止这种情况，研究人员提前拉伸了这些夹层电极。通过改变初始应力状态来调节相变电压，从而使电极更具弹性，并改善断裂或非晶化(其结晶特性的损失)现象。

电压范围更宽，容量更大

当电池材料的物理形态发生变化时，就会发生相变，这是日常充电和使用过程中的膨胀压缩循环造成的。这些相变使得电极更容易发生结构退化，尤其是当这一过程重复发生时。保持电池长期有效的关键是相位可逆性。雷努卡-巴拉克里希纳说:“确保物质保持其结晶形态可以充分增强可逆性。在一定电压下，当从一种相变为另一种相时，材料会变成粉末，不利于电池的高效运行。”

为了在能源景观之间循环时保持电池材料的结晶状态，研究人员通过引入初始应力状态来改变材料的结构。张说:“通过在充电和放电前拉伸电极，我们正在改变电极从充电状态到放电状态的能量景观。通过初始应变，可以降低这些转变的能垒，从而防止有害的晶格变形和材料失效。这种能源格局的变化有助于防止微裂纹和裂缝，保护电池的可持续性和储能能力。”

此外，通过拉伸电极，电池可以工作在更宽的电压窗口，从而提高其储能能力。

现代储能面临的挑战

研究人员表示，储能领域的主要关注点之一是摆脱电池中常用的易燃液体电解质，将其放入固体材料中。众所周知，随着时间的推移，固体物体会受到反复的压缩而损坏。一旦出现裂缝，表面的两面就会失去接触。就电池而言，这会引起简单的机械问题，因为没有连接很难转移材料中的离子。

张指出的方法试图解决这一机械挑战，以开发更安全、更可持续的电池。研究人员表示，其新颖性在于通过引入基本的力学概念来延长现有材料的寿命，而不是寻找新材料来延长电池的寿命。雷努卡-巴拉克里希纳说:“在开发电池的过程中，并不总是包含机械概念。现在工程师们可以利用张开发研究的这一理论和工具来设计和改变电池材料的有效期。”

研究人员表示，延长电池的使用寿命将有助于延长设备的使用寿命，充分降低更换电池的频率，使电子设备和电动汽车的用户受益。考虑到锂离子电池的成本，它将为……节省大量资金随着时间的推移。此外，可持续储能是减排和减少废电池的重要组成部分。研究人员希望通过这项工作，开辟新的研究路线，提高材料的可逆性。

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