X射线图像揭示电池磨损过程

电动汽车所采用的锂离子电池技术，和智能手机、笔记本电脑以及几乎所有电子产品都一样，但这项技术的改进极其缓慢。虽然电动汽车可以满足大部分美国人日常出行的需要，而普通燃油车的行驶里程更远。除了充电站少这一问题，比起加油的时间，电池充电的时间也要长得多。为了提高锂离子电池的充电能力，增加电动汽车使用率，汽车行业不得不重新审视关于电池磨损的基础科学。

据外媒报道，来自多个研究所的人员组成研究小组，对锂离子电池的电极进行迄今为止最全面的研究。他们发现，电池磨损的大部分原因在于反复充电。研究人员称，制造商可以利用他们得出的信息，为智能手机或汽车设计更可靠、更耐用的电池。珀杜大学（Purdue University）机械工程助理教授Kejie Zhao说“有时候，创造知识比解决电池电极损伤更有价值。以前，人们没有相关的技术或理论，来解释电池电极损伤这一问题。”

研究人员提出的新技术本质上是用人工智能驱动的X射线工具，通过机器学习算法，一次性可自动扫描锂离子电池电极上的数千个粒子，一直到组成粒子的原子。一个电池电极中存在数百万个粒子。现在，研究人员可以更彻底地对它们进行分析，包括各种仿真运行分析，比如不同的电压窗口和充电速度。

Zhao的实验室研究电池在机械和电化学方面如何相互影响的基础科学。他说“此前的大部分研究都集中在单个粒子水平上，并通过相关分析，来了解整个电池。但是，这儿显然存在缺口，那就是微米尺度上的单个微粒，与整体的大电池比起来 ，有很多不同之处。”

每当电池充电时，锂离子就会在正负极之间来回移动。这些离子与电极中的粒子相互作用，导致它们随着时间的推移而破裂和降解。电极损坏会降低电池的充电能力。Zhao说，电池很难同时兼具高容量和可靠性。增加电池容量通常意味着牺牲可靠性。研究人员发现电池颗粒的降解不会同时同地发生，有些粒子比其他粒子失效更快，由此绘制出锂离子电池的损伤图。但是，现有方法无法完全捕捉到电池电极的损伤过程。为了进行详细研究，团队需要创造一种全新的技术。

研究人员求助于欧洲同步辐射装置（ESRF）和斯坦福同步辐射光源（SSRL）的同步加速器。这些大型同步加速器设施长达数英里，承载着几乎以光速运动的粒子，释放出辐射，产生同步X射线图像。弗吉尼亚理工大学的研究人员制造了用于测试的材料和电池，包括智能手机的口袋电池和手表的硬币电池等。ESRF和SSRL的研究人员，设法使这些机器可以一次扫描电池中尽可能多的电极粒子，然后生成X射线图像进行分析。颗粒表面的颗粒破裂和降解图，称为“界面脱粘”，现在可以作为了解电池电极损伤程度的参考工具。

为了了解这些裂纹如何影响电池性能，Zhao在珀杜大学的团队开发了理论和计算工具。例如，他们发现，在锂离子来回穿梭的地方，附近的粒子（称为“分离器”）比电极材料底部的粒子使用率更高，所以，它们失效的速度更快。在较厚的电极和快速充电条件下，电极颗粒损伤或“非均质退化”的变异性更为严重。Zhao说“电池容量并不取决于电池中的颗粒多少，重要的是如何使用锂离子。”

考虑到美国只有几个同步加速器，所以该项目并不能让每个研究人员和行业参与者都采用这种技术，但他们可以利用这一技术所产生的信息。研究人员计划继续使用该技术来记录损坏是如何发生的，以及如何影响商用电池的性能。