2022年4月28日，《科學》發表了一項新的國際、多機構/大學研究，該研究對驅動電池壽命的因素及這些因素在快速充電條件下如何隨時間變化展開了新的觀察，來自弗吉尼亞理工大學化學系的副教授Feng Lin就是其中一員。
研究發現，在早期，電池的衰減似乎是由單個電極顆粒的特性驅動的，但在幾十個充電周期后，這些顆粒是如何組合在一起的才是更重要的。
Lin說道：“這項研究真正闡明了我們如何設計和製造電池電極，從而獲得電池的長循環壽命。”
林說：”這項研究真正揭示了我們如何設計和製造電池電極以獲得電池的長循環壽命。他的實驗室現在正致力於重新設計電池電極，目標是製造出能夠提供快速充電能力的電極架構，並以今天的一小部分成本維持更長的壽命，同時也是環保的。
“當電極架構允許每個單獨的粒子快速響應電信號時，我們將有一個很好的工具箱來為電池快速充電。我們很高興將這種理解落實到下一代低成本快速充電的電池上，”林說。
林是這項研究的共同第一作者，與美國能源部SLAC國家加速器實驗室、普渡大學和歐洲同步輻射設施合作進行。林實驗室的博士后研究人員徐正瑞和侯東也是該論文的共同作者，他們領導了電極製造、電池製造和電池性能測量，並協助進行X射線實驗和數據分析。
“基本構件是構成電池電極的這些粒子，但當你放大后，這些粒子會相互作用，”SLAC科學家Yijin Liu說道，“（因此）如果你想建造一個更好的電池，你需要研究如何將這些粒子放在一起。”據悉，Liu是斯坦福同步輻射光源(SSRL)的研究員，也是該項研究的論文資深作者。
作為研究的一部分，Lin、Liu和其他同事使用計算機視覺技術來研究構成可充電電池電極的單個顆粒是如何隨着時間的推移而破裂的。這次的目標不僅僅是研究單個顆粒，而是研究它們一起工作以延長-或降低-電池壽命的方式。他們的最終目標是：學習新方法，以從電池設計中擠出更多的壽命。
作為其研究的一部分，該團隊用X射線研究了電池陰極。他們使用X射線斷層掃描重建了電池陰極在經歷了不同的充電周期后的3D圖片。然後他們將這些3D圖片切成一系列的2D切片並使用計算機視覺方法來識別顆粒。除了Lin和Liu之外，這項研究還包括SSRL博士后Jizhou Li、普渡大學機械工程教授Keije Zhao和普渡大學研究生Nikhil Sharma。
研究人員最終確定了2000多個單獨的顆粒，他們不僅計算了單個顆粒的特徵如尺寸、形狀和表面粗糙度，而且還計算了顆粒之間直接接觸的頻率及顆粒形狀的變化情況等特徵。
接下來，他們研究了這些特性中的每一個是如何促成顆粒的破裂的並出現了一個驚人的模式。在10個充電周期后，最大的因素是單個顆粒的特性，其中包括顆粒的球形程度和顆粒體積跟表面積的比率。然而，在50個周期之後，成對和成組的屬性–如兩個顆粒之間的距離有多遠、它們的形狀有多大變化以及更細長的、足球形狀的顆粒是否有類似的方向–推動了顆粒的破裂。
“它不再只是粒子本身。重要的是粒子跟粒子之間的相互作用。這很重要，因為它意味着製造商可以開發技術來控制這種特性。如他們可能能使用磁場或電場來使細長的粒子彼此對齊，新的結果表明這將導致更長的電池壽命，”Liu說道。
作為弗吉尼亞理工大學大分子創新研究所的成員和弗吉尼亞理工大學工程學院下屬的材料科學與工程系的一名附屬教員，Lin補充道：“我們一直在大力調查如何讓電動汽車電池在快速充電和低溫條件下高效工作。除了設計能通過使用更便宜、更豐富的原材料來降低電池成本的新材料外，我們的實驗室還一直致力於了解遠離平衡的電池行為。我們已經開始研究電池材料及其對這些惡劣條件的反應。”
普渡大學教授和共同第一作者Zhao則將退化問題比作人們在群體中工作。“電池顆粒就像人–我們一開始都走自己的路。但最終，我們遇到了其他的人，我們最終成群結隊並朝着同一個方向前進。為了了解峰值效率，我們需要同時研究粒子的個體行為和這些粒子在群體中的行為，”Zhao說道。