充电的次数决定了充电电池的寿命

可充电锂离子电池不能永远使用下去——经过足够多的充电和再充电循环后，它们最终就会报废，因此研究人员一直在寻找延长电池使用寿命的方法。

现在，能源部 SLAC 国家加速器实验室的研究人员以及普渡大学、弗吉尼亚理工大学和欧洲同步加速器辐射设施的同事发现，电池衰减背后的因素实际上会随着时间而变化。早期，衰变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对衰变的影响就变得更加重要。

“基本构建块是构成电池电极的这些粒子，但是当你放大时，就会看到这些粒子会相互作用，”SLAC 科学家、斯坦福同步加速器辐射光源研究员、资深作者刘义金（音译）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。”

只见树木不见森林

这项新研究于 4 月 29 日发表在《 科学》杂志上，基于过去的研究 ，刘及其同事使用计算机视觉技术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，还要研究它们如何协同工作以延长或降低电池寿命的方式。

普渡大学机械工程教授 Keije Zhao 与刘和弗吉尼亚理工大学化学教授冯林是资深作者，他将这个问题比作团队工作的人。“电池粒子就像人一样——我们都开始走自己的路，”赵说，“但最终我们会遇到其他人，最终我们会成群结队，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。”

为了探索这个想法，共同第一作者、SSRL 博士后研究员 Jizhou Li 和 Purdue 研究生 Nikhil Sharma 与 Liu、Lin 和 Zhao 以及其他同事合作，用 X 射线研究电池阴极。在经历了 10 或 50 个充电周期后，他们使用 X 射线断层扫描重建了阴极的 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。

电池的寿命

最后，他们确定了 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，还计算了更多的全局特征，例如粒子彼此直接接触的频率以及变化程度。

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，并了现了一个引人注目的模式。在 10 个充电周期后，最大的影响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 次充放电店循环后，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成为了主要因素。

“这不再只是粒子本身。重要的是粒子-粒子相互作用”，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。

并且，共同资深作者和弗吉尼亚理工大学化学家冯林说，这些结果可以应用于本研究的细节之外。“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。“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。”