芝加哥大学探讨锂离子电池降解机制

锂离子电池广泛应用于手机、电动车等领域。然而，锂离子电池经过数百次充电循环后，很容易退化，直至完全无法充电。

据国外媒体报道，芝加哥大学普利兹克分子工程学院的研究人员结合了高倍电子显微镜和计算模型，以准确理解锂离子电池在原子水平上降解时会发生什么。这项研究指出了一种设计更耐用的锂离子电池的方法，方法是专注于一种经常被忽视的结构组件——碳粘合剂域(CBD)。研究负责人Y. Shirley Meng教授说:“这项工作朝着更高效、更可持续的电池技术迈出了一步。”

在整个充电循环过程中，正负极的活性物质会发生膨胀和收缩，产生“颗粒裂纹”等物理损伤，影响锂离子电池的性能。以前锂离子电池的电极又小又薄，其中发生的颗粒裂纹和降解都是科研人员表征的。然而，为了开发更大的电动汽车电池，电极现在更厚，能量密度更高。

加州大学圣地亚哥分校的项目科学家张洺浩说，厚电极的动力学与薄电极非常不同。"在更厚和更高能量的电极中，劣化程度实际上要严重得多."

张指出，定量研究厚电极也比较困难。以前用于研究细电极的工具无法观察到更大更密的材料的结构。

结合显微镜和建模

在这项新的研究中，孟，张和赛默飞世尔科技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)观察锂离子电池厚正极的变化。PFIB-SEM利用聚焦射线对离子和电子进行充电，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，包括一个全新的正极和一个充放电15次的正极。利用电子显微镜的实验数据，团队建立了一个计算模型来显示电池的退化过程。PME的博士后研究员Mehdi Chouchane说:“通过结合实验数据和纳米级分辨率的模型，我们可以确定阴极是如何退化的。没有模型，很难确定发生了什么。”

研究人员发现，电池不同区域之间的差异导致了许多结构变化。正极表面的薄层更容易被电解质腐蚀。因此，顶层形成了较厚的电阻层，导致底层的膨胀和收缩超过了正极的其他部分，从而加速了劣化。

该模型还指出了中央商务区的重要性。CBD是由含氟聚合物和碳原子组成的多孔网络，它可以将电极中的活性材料聚集在一起，并有助于通过电池传导电能。先前的研究没有描述CBD在电池使用过程中是如何降解的。新的研究表明，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。

张说:“这种变化甚至比活性物质的破裂还要明显。过去，许多研究人员一直关注活性物质的破裂。”

未来电池

该团队利用这种正电极模型，探索如何通过微调电极设计来改变降解现象。据研究人员称，改变CBD的结构网络将有助于防止CBD与活性物质接触的恶化，从而延长电池寿命。现在，工程师可以通过物理实验来跟进这个假设。

该团队现在正在使用相同的方法研究更厚的正极，并就如何减缓电极退化进行额外的建模。赛默飞世尔科技公司电池市场开发高级经理刘钊博士表示:“这项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。”