国际研究小组发现电池充放电过程中所有细节微观图

作者：EuropeanSynchrotronRadiationFacility

一个国际研究小组近期在《先进能源材料》杂志上发表了关于电池失效过程中所发生的最广泛的研究，同时关注研究了电池的不同部分。其中欧洲同步加速器ESRF的作用对它的成功至关重要。

我们都经历过：你给手机充电了，用了一段时间后，电池电量异常迅速地下降。消费类电子产品似乎以不均匀的速度断电，这是由于电池的异质性。当手机充电时，顶层先充电，底层后充电。手机可能会显示它已经充电完成，此时顶部表面水平完成充电，但底部将是欠充电。但如果使用底层作为指纹，顶层将被过度充电，并且会出现安全问题。

事实上，电池是由许多不同的部件组成的，它们的工作方式不同。固体聚合物有助于颗粒结合，碳添加剂提供电连接，然后由活性电池颗粒储存和释放能量。

来自ESRF、SLAC、弗吉尼亚理工大学和普渡大学的一个国际科学家团队希望了解并定量定义导致锂离子电池失效的原因。在此之前，研究要么在失效期间放大单个区域，要么放大阴极中的粒子，要么缩小观察电池层的行为，而不提供足够的微观细节。现在，这项研究提供了第一个具有前所未有的微观结构细节的全局视图，以补充电池文献中现有的研究。

如果你有一个完美的电极，每一个粒子都应该以同样的方式运动。然而，电极是非常不均匀的，含有数以百万计的微粒。没有办法确保每个粒子同时以相同的方式运行。

为了克服这一挑战，研究小组严重依赖同步加速器X射线方法，并使用两个同步加速器设施来研究电池中的电极：ESRF、法国格勒诺布尔的欧洲同步加速器和美国斯坦福的SLAC国家加速器实验室。“ESRF使我们能够以更高的分辨率研究更多的电池粒子，”弗吉尼亚理工大学的助理教授冯林（音译）说。在SLAC进行的补充实验，特别是纳米分辨率X射线光谱显微镜。

硬X射线相位对比纳米断层扫描显示，在整个电极厚度上，每个粒子的分辨率都非常高。这使我们能够在使用电池后跟踪每个电池的损坏程度。论文中大约一半的数据来自ESRF，”ESRF的科学家、论文的第一作者杨扬（音译）解释说。

“在实验之前，我们不知道我们可以同时研究这些粒子。成像单个活性电池粒子一直是这个领域的焦点。为了制造更好的电池，你需要最大限度地发挥每个粒子的作用，”SLAC的科学家刘一金说。

弗吉尼亚理工实验室制造了这些材料和电池，然后在ESRF和SLAC上测试它们的充电和退化行为。赵克杰（音译），普渡大学的助理教授，领导了这个项目的计算建模工作。

本次论文的研究结果为电池中的微粒利用和褪色提供了一种诊断方法。这可以改善工业界如何设计快速充电电池的电极，”杨总结道。