研究人員通過開發新型拉伸電極來提高電池的存儲容量和壽命

據外媒報道，目前在電動汽車、電子設備等領域，電池已得到廣泛應用，并有望成為可持續能源存儲選項。眾所周知，每天為電池充電，會使其功能逐漸衰退。最終更換這些電池，不僅要付出大量成本，而且會消耗稀土資源。

據外媒報道，導致電池壽命縮短的關鍵因素在于電池的結構完整性出現退化。為了阻止結構退化，美國南加州大學維特比工程學院（USC Viterbi School of Engineering）的研究團隊希望，通過“拉伸”電池材料，使其可以反復循環，不致出現結構疲勞。這項研究由該校航空航天與機械工程學WiSE Gabilan助理教授Ananya Renuka-Balakrishna、該校博士生Delin Zhang及布朗大學Brian Sheldon教授的團隊人員領導進行。

通常情況下，在電池充放電過程中，離子在電極中反復嵌入和脫嵌，從而擴張和壓縮電極晶格。隨著時間的推移，在電極材料中，這些體積變化會逐漸導致產生微裂紋、裂縫和缺陷，最終引起結構退化，電池容量下降，而不得不更換新電池。

為了阻止這種情況，研究人員提前拉伸這些插層電極。通過初始應力狀態變化來調節相變電壓，從而使電極更具彈性，改善斷裂或非晶化（失去其結晶特性）現象。

電壓范圍更廣、容量更大

當電池材料的物理形式發生變化時，會發生相變，這是由日常充電和使用時的膨脹和壓縮循環造成的。這些相變使電極更易發生結構退化，尤其是在這一過程反復發生時。要使電池在較長時間內保持有效功能，關鍵在于相位可逆性。Renuka-Balakrishna表示：“確保材料保持其結晶形式，可以充分增強可逆性。在一定電壓下，當從一個相轉變為另一相時，材料會變成粉狀，這不利于電池高效運行。”

為了讓電池材料在能量景觀之間循環往復時保持結晶狀態，研究人員通過引入初始應力狀態來改變材料的結構。Zhang表示：“通過在充電和放電之前拉伸電極，我們正在改變電極從充電狀態到放電狀態的能量景觀。通過初始應變，能夠降低這些轉變的能量屏障，從而防止產生有害的晶格變形，避免材料失效。這種能量景觀變化有助于防止產生微裂紋和裂縫，保護電池的可持續性和儲能能力。”

另外，通過拉伸電極，電池可以在更寬的電壓窗口工作，從而提高其儲能能力。

現代儲能面臨的挑戰

研究人員表示，儲能領域的主要關注點之一是，擺脫電池中常用的易燃液體電解質，并將其置入固體材料中。眾所周知，隨著時間的推移，固體物體會因反復受壓而受損。一旦出現裂紋，表面兩側將失去接觸。就電池而言，這會引起簡單的機械問題，因為沒有連接，很難在材料中傳輸離子。

Zhang指出的方法，嘗試解決這一機械挑戰，以開發更安全、更可持續的電池。研究人員表示，其新穎之處在于，通過引入基本力學概念延長現有材料壽命，而不是尋找新材料來延長電池的壽命。Renuka-Balakrishna表示：“在開發電池的過程中，并不總是納入力學概念。現在工程師們可以利用 Zhang開發和研究的這項理論和工具，設計并改變電池材料的有效期。”

研究人員表示，延長電池的使用壽命，有助于延長設備使用時間，充分減少電池更換頻率，使電子設備和電動汽車用戶受益。考慮到鋰離子電池的成本，隨著時間的推移，還將為用戶節省大量資金。此外，對于減排和減少廢舊電池而言，可持續能源存儲是重要組成部分。研究人員希望，通過這項工作，開辟一條新的研究路線，提高材料的可逆性。