研究人員利用等離子聚焦離子束掃描電子顯微鏡（PFIB-SEM），觀察锂離子電池厚正極内部發生的變化。
蓋世汽車訊 锂離子電池廣泛應用于手機和電動汽車等領域。但是，經過數百次充電循環後，锂離子電池容易降解，直至完全無法充電。
（圖片來源：芝加哥大學）
據外媒報道，芝加哥大學普利茲克分子工程學院（PME）的研究人員結合使用高功率電子顯微鏡和計算模型，從原子層面準确了解锂離子電池降解時會發生什麼。這項研究指出了一種方法，通過關注一種經常被忽視的結構組分——碳結合域（carbon binder domain，CBD），可以設計更持久的锂離子電池。研究負責人 Y. Shirley Meng 教授表示：" 這項工作是朝着更高效和可持續的電池技術邁出的一步。"
在整個充電循環中，正、負極的活性物質會膨脹和收縮，不斷産生 " 顆粒裂紋 " 和其他物理損害，從而影響锂離子電池的性能。以前，锂離子電池的電極小而薄，研究人員曾對其中發生的顆粒裂紋和降解進行過表征。然而，為了開發更大的電動汽車電池，現在電極變得更厚、能量密度更高。
加州大學聖地亞哥分校（University of California San Diego）的項目科學家 Minghao Zhang 表示，厚電極的動力學與薄電極的動力學有很大的不同。" 在更厚、能量更高的電極中，實際上降解程度要嚴重得多。"
Zhang 指出，對厚電極進行定量研究也更難。以前用于研究薄電極的工具，無法觀察更大、更緻密材料的結構。
結合顯微鏡和建模
在這項新研究中，Meng、Zhang 和賽默飛世爾科技（Thermo Fisher Scientific）的研究人員利用等離子聚焦離子束掃描電子顯微鏡（PFIB-SEM），觀察锂離子電池厚正極内部發生的變化。PFIB-SEM 利用聚焦的射線使離子和電子帶電，從而構建材料三維結構的超高分辨率圖像。
研究人員利用成像方法來收集數據，包括一個全新的正極以及一個已經充電并耗盡 15 次的正極的數據。利用電子顯微鏡實驗數據，該團隊建立了計算模型，從而表明電池的降解過程。PME 博士後研究員 Mehdi Chouchane 表示：" 通過結合納米級分辨率實驗數據和模型，可以确定正極是如何降解的。如果沒有模型，很難确定發生了什麼。"
研究人員發現，電池各區域之間的差異，促使形成很多結構上的變化。正極表面的薄層更容易發生電解質腐蝕。因此，該頂層形成一個更厚的電阻層，導緻底層的膨脹和收縮程度超過正極其他部分，從而加速降解。
該模型還指出了 CBD 的重要性。CBD 是一種由含氟聚合物和碳原子組成的多孔網絡，可以将電極中的活性物質聚集在一起，有助于通過電池傳導電能。以前的研究沒有表征，在電池使用過程中 CBD 是如何降解的。新的研究表明，随着時間的推移，CBD 與正極活性材料之間接觸的減弱，直接導緻了锂離子電池性能下降。
Zhang 表示：" 這一變化甚至比活性物質的破裂更加明顯。過去，許多研究人員一直關注活性物質破裂的問題。"
未來的電池
該團隊利用這一正極模型，探讨如何通過微調電極設計來改變降解現象。研究人員表示，改變 CBD 結構網絡，有助于防止 CBD 與活性物質之間接觸狀況的惡化，從而延長電池壽命。現在，工程師們可以通過物理實驗來跟進這個假設。
該團隊現正使用相同的方法來研究更厚的正極，并就如何減緩電極降解進行額外建模。賽默飛世爾科技的電池市場開發高級經理 Dr. Zhao Liu 表示：" 這項研究開發了一種方法，主要涉及如何設計電極以提高未來電池的性能。"
