芝加哥大学探讨锂离子电池降解机制车讯
提示：研究人员用等离子体聚焦离子束扫描电子显微镜（PFIB-SEM）观察了锂离子电池厚正极内部的变化。
锂离子电池广泛用于手机、电动汽车等领域。但是，经过数百次充电循环，锂离子电池变得容易分解，不能完全充电。
（图像源：芝加哥大学）
据外媒报道，芝加哥大学普利兹分子工程学院PME的研究人员结合高功率电子显微镜和计算模型使用，在原子水平上正确理解锂离子电池分解时会发生什么。在这项研究中，我们指出了一种方法，通过关注经常被忽略的结构成分碳键域（carbon binder domain，CBD），可以设计持久性更高的锂离子电池。研究负责人Y。Shirley Meng教授说：“这项工作是迈向更高效、更可持续的电池技术的一步。”。
在整个充电循环中，正、负极活性物质膨胀收缩，不断发生“颗粒碎裂”和其他物理损坏，影响锂离子电池的性能。以前，锂离子电池的电极又小又薄，研究人员曾对其中产生的粒子碎裂和分解进行了表征。但为了开发更大的电动车电池，目前电极更厚，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表示，厚电极的动力学和薄电极的动力学有很大不同。“对于更厚、能量更高的电极，实际上分解的程度要大得多。”
Zhang还指出定量研究厚电极更困难。以前是研究薄电极的工具，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）的研究人员使用等离子体聚焦离子束扫描电子显微镜（PFIB-SEM）观察了锂离子电池的厚正极内部的变化。PFIB-SEM通过聚焦的辐射使离子和电子带电，构建材料三维结构的超高分辨率图像。
研究人员使用一种图像形成方法收集数据，该方法包括全新的正极和被充电并耗尽15次的正极数据。利用电子显微镜实验数据，团队建立了计算模型，展示了电池的分解过程。PME博士后研究员Mehdi Chouchane说：“通过结合纳米级分辨率的实验数据和模型，可以确定正极是如何分解的。如果没有模型，很难确定发生了什么。”
研究者们发现，电池各区域之间的差异促使许多结构上的变化。正极表面的薄层容易引起电解质腐蚀。因此，在最上层形成更厚的电阻层，最下层的膨胀和收缩的程度超过正极的其他部分，加速分解。
这个模型也指出了CBD的重要性。CBD是由含氟聚合物和碳原子构成的多孔网络，用于收集电极中的活性物质，通过电池传导电能。以前的研究没有显示在电池使用过程中CBD如何分解。新研究表明，随着时间的推移，CBD与正极活性物质的接触减弱，直接导致锂离子电池性能下降。
根据Zhang，“这种变化比活性物质的破裂更明显。过去，很多研究人员都关注活性物质的破裂问题。”
未来的电池
这个小组使用这个正极模型，研究了通过微调电极设计如何改变分解现象。研究人员表示，改变CBD结构网络有助于防止CBD与活性物质接触状况恶化，延长电池寿命。工程师们可以通过物理实验来跟进这个假设。
该团队目前正在用同样的方法研究更厚的正极，并对如何延缓电极的分解进行额外的建模。赛默飞世尔科技的电池市场开发高级经理Dr。Zhao Liu说：“这项研究主要开发了如何设计电极来提高未来电池性能的方法。”。