电池老化的真正原因是什么？

近日美国斯坦福大学进行的一项对锂电池电极里微小粒子的行为研究显示，对电池快速充电然后用于高功率快速耗电的工作对电池的损伤可能没有研究人员预想的那么糟糕，而缓慢充电和耗电所带来的益处可能也被过度夸大。这项研究结果挑战了有关“超级充电”电池比缓慢充电对电极要求更高的盛行观点，来自美国斯坦福大学和美国能源部SLAC国家加速器实验室斯坦福大学材料与能源科学（SIMES）的研究人员这样说道。他们还表示科学家们或可能可以改变电池电极或者改变充电方式以提升统一的充电和放电过程，从而延长电池寿命。

“在充电和放电过程中电极里发生的化学过程的细节只是确定电池寿命的众多因素之一，但这一因素在这项研究之前都尚未被完全理解，”研究高级作者、美国斯坦福大学材料科学和工程学院的助理教授、SIMES的阙宗仰(William Chueh)这样说道。“我们发现了研究电池老化的新角度。”这些研究结果可以直接应用于很多现代商业锂电池所使用的氧化物和石墨电极。

这项研究被发表在9月14日的期刊《自然材料》上。研究小组还包括来自美国麻省理工学院、美国Sandia国家实验室、韩国三星尖端技术研究所和美国劳伦斯伯克利国家实验室的研究合作者。

观察电池片里的离子

电池损耗的一个重要原因便是在充电和放电过程中，正负电极在吸收和释放电解质里的离子时自身的膨胀和收缩。在这项研究里科学家们研究了由几十亿个磷酸铁锂纳米粒子组成的正电极，如果大多数或者全部离子都活跃参与充电和放电过程，那么它们会相对统一的吸收和释放离子。但是如果只有少部分粒子吸收了所有离子，那么它们更可能破裂和损坏，减少电池的寿命。

有关纳米粒子的特性和行为，与之前的研究产生了互相冲突的观点。为了进一步调查真相，研究人员制造了小型硬币电池，利用不同的电流对它们进行不同时长的充电，然后迅速将它们分离并冲洗组件从而阻止充电/放电过程。随后科学家们将电极切成非常薄的片并将它们送至伯克利国家实验室利用高级光源同步加速器的密集的X设线进行检测。

快速放电的新见解

“我们一次可以研究上千个电极纳米粒子并拍摄充电和放电过程中不同阶段的快照，”研究首席作者、斯坦福大学的研究生李一洋（Yiyang Li）这样说道。“这项研究是首项在不同充电和放电条件下对充放电过程进行的详细全面调查。”

通过利用MIT研发的一个成熟模型分析数据，研究人员发现在充电过程中只有少部分纳米粒子吸收和释放离子，即使这个过程发生的非常迅速。但当电池放电时，有趣的事发生了：随着放电速率增加超过一定的极限，越来越多粒子开始同步吸收离子，转变成一个更加统一、损害较少的模式。这表明科学家们可能可以扭曲电极材料或者这个过程从而在保证较长电池寿命的前提下，或者更快的充电和放电速率。

据李表示，接下来一步便是在上百次甚至是上千次的循环里运行电池电极从而模拟真实世界的情况。科学家们希望能够拍摄电池在充电和放电过程中的快照，而非中断这个过程并将电池组件分离。这应该可以产生更加现实的见解，且这个过程可以在同步加速器里，例如ALS或者SLAC斯坦福同步加速器辐射光源里进行。李还表示目前研究小组正在与工业界密切合作，调查这些发现将如何应用于运输和电子消费品领域。

这项研究得到了韩国三星尖端技术研究所全球创新拓展项目、斯坦福工程学院和普雷科特能源学院、三星-MIT能源应用的材料设计项目以及美国能源部的资金支持。