锂离子电池中出现意外现象

布鲁克黑文国家实验室的科学家已经观察到锂离子电池中的意外现象，这是用于为手机和电动汽车供电的最常见的电池类型。当模型电池产生电流时，科学家目睹了单个纳米粒子内部锂的浓度在某个点发生了反转，而不是不断增加。

这一发现发表在《科学进展》杂志上，是朝着改善消费电子产品电池寿命迈出的重要一步。

斯托尼布鲁克大学（Sony Brook University）的纽约州立大学（SUNY）杰出教授，布鲁克海文实验室（Brookhaven Lab）能源科学部首席科学家埃斯特（Esther Takeuchi）说：“如果您有手机，由于手机的容量有限，您可能需要每天为其电池充电。电池电极。这项研究中的发现可以帮助开发更快，持续时间更长的电池。”

每个锂离子电池内部都有一些粒子，这些粒子的原子排列在一个晶格中–原子之间存在间隙的周期性结构。当锂离子电池供电时，锂离子流入原子晶格中的空位。

该图显示了带正电的锂离子在定制的FeF2纳米颗粒上的扩散。转化反应迅速扫过整个表面，然后以逐层的方式更缓慢地穿过大部分颗粒。图片来源：布鲁克海文国家实验室。单击图像可查看最大视图。

Brookhavens可持续能源技术部的科学家Wei Zhang解释说：“以前，科学家认为锂的浓度会在晶格中不断增加。但是现在，我们已经看到，当电池电极由纳米尺寸的颗粒制成时，情况可能并非如此。我们观察到纳米粒子局部区域中的锂浓度先升高后降低，然后反转。”

电极通常由纳米颗粒制成，以增加电池的功率密度。但是，由于观察电极工作的能力有限，因此科学家无法完全了解这些电极的功能。现在，借助独特的实验工具组合，科学家们能够实时成像电极内部的反应。

这项研究的负责人，布鲁克海文斯可持续能源技术部的科学家冯峰进一步解释说：“类似于海绵如何吸收水，我们可以看到纳米级颗粒内部锂的整体含量不断增加。但是与水不同的是，锂可能会优先移出某些区域，从而在整个晶格中产生不一致水平的锂。”

科学家解释说，锂的不均匀运动可能会产生持久的破坏性影响，因为锂会拉紧电池中活性物质的结构并导致疲劳失效。

Wang说：“在锂进入晶格之前，其结构非常均匀。”“但是一旦锂进入，它就会拉伸晶格，而当锂出去时，晶格会收缩。因此，每次给电池充电和放电时，其有源组件都会受到压力，其质量会随着时间的流逝而降低。因此，表征和理解锂浓度在空间和时间上如何变化非常重要。”

为了做出这些观察，科学家们结合了透射电子显微镜（TEM）实验，该实验是在功能纳米材料中心（CFN），美国能源部Brookhaven实验室科学用户设施办公室以及Brookhavens凝聚态物理与材料科学系进行的在国家同步加速器光源（NSLS）上进行X射线分析。NSLS是位于布鲁克海文的美国能源部科学办公室的用户设施，该设施于2014年关闭，其后继者NSLS-II开业。

该研究的合著者，布鲁克海文实验室的高级物理学家朱一梅说：“王团队将TEM与X射线技术结合在一起。两种方法都使用相似的方法来分析材料的结构，但可以提供补充信息。电子对局部结构敏感，而X射线可以探测更大的体积并提供更好的统计信息。”

Brookhaven团队还开发了一种纳米模型电池，该电池可模仿“适合” TEM的锂离子电池的功能。密歇根大学进行的计算机模拟进一步证实了令人惊讶的结论。

密歇根大学安阿伯分校材料科学与工程学教授Katsuyo Thornton领导了理论研究。他说：“我们最初认为这种逆转机制与先前提出的逆转机制相似，这是由于附近粒子之间的相互作用所致。然而，事实证明，单个粒子内的浓度逆转无法用现有的理论来解释，而是由不同的机理引起的。模拟在这项工作中至关重要，因为如果没有它们，我们将得出错误的结论。”

虽然研究集中在锂离子电池上，但科学家们说，观察到的现象也可能在其他高性能电池化学中发生。

王说：“在未来，我们计划使用CFN和NSLS-II上的世界一流设施来更仔细地检查电池材料的工作原理，并找到制造可更快充电且使用寿命更长的新电池的解决方案。这些设施提供了理想的工具，可以在真实条件下实时对电池材料的结构进行成像。”

肯定看起来有些纳税人的钱在这里还清。设备的便携性正在发展，而小型化将为我们带来更多的工具和便利。更好的电池将使它们更快地到达目的地，并且功率更快。

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