特斯拉 S 系列 - 仪表板。(参考图片由Flickr的 Wesley Fryer 提供)。

美国能源部 SLAC 国家加速器实验室、普渡大学、弗吉尼亚理工大学和欧洲同步加速器辐射设施的研究人员发现，锂离子电池衰减背后的因素会随着时间而变化。

在发表在《科学》杂志上的一篇论文中，该小组解释说，早期，衰变似乎是由单个电极粒子的特性驱动的，但经过几十个充电循环后，这些粒子如何组合在一起更重要。

“基本的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，”该论文的资深作者刘一进在一份媒体声明中说。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。”

考虑到这一目标，Liu 及其同事决定不仅关注单个粒子，还关注它们协同工作以延长或降低电池寿命的方式。

“电池颗粒就像人——我们都开始走自己的路，”该研究的共同高级作者赵凯杰说。“但最终我们遇到其他人，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。”

使用 X 射线进行更深入的观察

为了进一步探索这个想法，科学家们使用 X 射线断层扫描来重建阴极在经历 10 或 50 个充电周期后的 3D 图像。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。

然后，他们能够识别出 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，还计算了更多的全局特征，例如粒子彼此直接接触的频率以及变化的程度。粒子的形状是。

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，并出现了一种模式。在 10次充电循环后，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，经过 50 次循环后，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。

在他看来，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，他们可能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。

“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，”合著者冯林说。“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。”