图片：数百个电池放在巨大的机架上，红绿闪烁，每天在冯林的实验室内进行测试。绿灯和红灯表示测试通道正在工作。 查看更多 信用：照片由冯林提供。
它不会很快出现。可能需要数周时间才能注意到。您在无线小猫饮水机中有新充电的锂离子 AA 电池，它们可以使用两天。他们曾经持续一周或更长时间。又一轮充电，它们持续一天。很快，什么都没有。
如果你站在那里质疑自己的行为，你会被原谅。“等等， 我 给这些充电了吗?”
放心，不是你。是电池。没有什么是永恒的，即使是所谓的持久可充电电池，无论是在商店购买的 AA 或 AAA，还是我们手机、无线耳塞或汽车内的电池。电池衰减。
弗吉尼亚理工学院 化学系副教授冯林 是今天发表在《科学》[INSERT LINK] 上的一项新的国际、多机构/大学研究的一部分，该研究对这些因素进行了新的审视这些因素决定了电池的使用寿命，以及这些因素在快速充电条件下随着时间的推移实际上是如何变化的。研究发现，在早期，电池衰减似乎是由单个电极粒子的特性驱动的，但经过数十次充电循环后，这些粒子如何 组合在一起 更为重要。
“这项研究真正揭示了我们如何设计和制造电池电极以获得电池的长循环寿命，”林说。他的 实验室 现在正致力于重新设计电池电极，目标是制造能够提供快速充电能力并以当今成本的一小部分维持更长寿命并且对环境友好的电极架构。
“当电极架构允许每个单独的粒子快速响应电信号时，我们将拥有一个很好的工具箱来快速为电池充电。我们很高兴能够实现对下一代低成本快速充电电池的理解，”林说。
Lin 是该研究的共同资深作者，该研究与美国能源部的 SLAC 国家加速器实验室、普渡大学和欧洲同步加速器辐射设施合作。林实验室的博士后研究员Zhengrui Xu和Dong Ho也是该论文的合著者，领导了电极制造、电池制造和电池性能测量，并协助进行了X射线实验和数据分析。
斯坦福同步加速器辐射光源 (SSRL) 研究员、资深作者、SLAC 科学家 Yijin Liu 说：“基本构建块是构成电池电极的这些粒子，但是当你放大时，这些粒子会相互作用。”在纸上。因此，“如果你想制造更好的电池，你需要看看如何将粒子组合在一起。”
作为研究的一部分，Lin、Liu 和其他同事使用计算机视觉技术来研究构成可充电电池电极的单个粒子如何随着时间的推移而分解。这次的目标不仅是研究单个粒子，还研究它们协同工作 以延长或降低电池寿命的方式。自然的最终目标：学习新方法以延长电池设计的使用寿命。
作为研究的一部分，该团队用 X 射线研究了电池阴极。在经历了不同的充电周期后，他们使用 X 射线断层扫描重建了电池阴极的 3D 图片。然后，他们将这些 3D 图片切割成一系列 2D 切片，并使用计算机视觉方法来识别粒子。除了 Lin 和 Liu，该研究还包括 SSRL 博士后研究员 Jizhou Li;Keije Zhao，普渡大学机械工程教授;和普渡大学研究生 Nikhil Sharma。
研究人员最终确定了 2,000 多个单个粒子，他们不仅计算了单个粒子的特征，例如大小、形状和表面粗糙度，还计算了诸如粒子彼此直接接触的频率以及粒子的变化程度等特征。形状是。
接下来，他们研究了这些特性中的每一个是如何导致粒子分解的，并出现了一个引人注目的模式。在 10 个充电周期后，最大的因素是单个颗粒的特性，包括颗粒的球形程度以及颗粒体积与表面积的比率。然而，在 50 个循环之后，配对和组属性——例如两个粒子相距多远、它们的形状有多大变化、以及更细长的足球形粒子是否具有相似的取向——推动了粒子分解。
“它不再只是粒子本身。重要的是粒子-粒子的相互作用，”刘说。“这很重要，因为这意味着制造商可以开发控制这些特性的技术。例如，他们或许能够使用磁场或电场将细长的粒子彼此对齐，新结果表明这将延长电池寿命。”
林补充说：“我们一直在大力研究如何让电动汽车电池在快速充电和低温条件下高效工作。
“除了通过使用更便宜、更丰富的原材料来设计可以降低电池成本的新材料外，我们实验室还一直致力于了解远离平衡的电池行为，”林说，“我们已经开始研究电池材料及其对这些问题的反应。艰苦条件。”
普渡大学教授和共同资深作者赵将退化问题比作小组工作的人。“电池粒子就像人一样——我们都开始走自己的路，”赵说。“但最终，我们遇到了其他人，我们最终成群结队，朝着同一个方向前进。要了解峰值效率，我们需要研究粒子的个体行为以及这些粒子在群体中的行为方式。”
该研究由美国能源部、SLAC 国家加速器实验室的研发计划和美国国家科学基金会资助。SSRL 是能源部科学用户设施办公室。
