研究人員通過(guò)開發(fā)新型拉伸電極來(lái)提高電池的存儲(chǔ)容量和壽命

據(jù)外媒報(bào)道，目前在電動(dòng)汽車、電子設(shè)備等領(lǐng)域，電池已得到廣泛應(yīng)用，并有望成為可持續(xù)能源存儲(chǔ)選項(xiàng)。眾所周知，每天為電池充電，會(huì)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(huì)消耗稀土資源。

據(jù)外媒報(bào)道，導(dǎo)致電池壽命縮短的關(guān)鍵因素在于電池的結(jié)構(gòu)完整性出現(xiàn)退化。為了阻止結(jié)構(gòu)退化，美國(guó)南加州大學(xué)維特比工程學(xué)院（USC Viterbi School of Engineering）的研究團(tuán)隊(duì)希望，通過(guò)“拉伸”電池材料，使其可以反復(fù)循環(huán)，不致出現(xiàn)結(jié)構(gòu)疲勞。這項(xiàng)研究由該校航空航天與機(jī)械工程學(xué)WiSE Gabilan助理教授Ananya Renuka-Balakrishna、該校博士生Delin Zhang及布朗大學(xué)Brian Sheldon教授的團(tuán)隊(duì)人員領(lǐng)導(dǎo)進(jìn)行。

通常情況下，在電池充放電過(guò)程中，離子在電極中反復(fù)嵌入和脫嵌，從而擴(kuò)張和壓縮電極晶格。隨著時(shí)間的推移，在電極材料中，這些體積變化會(huì)逐漸導(dǎo)致產(chǎn)生微裂紋、裂縫和缺陷，最終引起結(jié)構(gòu)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(guò)初始應(yīng)力狀態(tài)變化來(lái)調(diào)節(jié)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(jié)晶特性）現(xiàn)象。

電壓范圍更廣、容量更大

當(dāng)電池材料的物理形式發(fā)生變化時(shí)，會(huì)發(fā)生相變，這是由日常充電和使用時(shí)的膨脹和壓縮循環(huán)造成的。這些相變使電極更易發(fā)生結(jié)構(gòu)退化，尤其是在這一過(guò)程反復(fù)發(fā)生時(shí)。要使電池在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持有效功能，關(guān)鍵在于相位可逆性。Renuka-Balakrishna表示：“確保材料保持其結(jié)晶形式，可以充分增強(qiáng)可逆性。在一定電壓下，當(dāng)從一個(gè)相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪幌鄷r(shí)，材料會(huì)變成粉狀，這不利于電池高效運(yùn)行。”

為了讓電池材料在能量景觀之間循環(huán)往復(fù)時(shí)保持結(jié)晶狀態(tài)，研究人員通過(guò)引入初始應(yīng)力狀態(tài)來(lái)改變材料的結(jié)構(gòu)。Zhang表示：“通過(guò)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(tài)到放電狀態(tài)的能量景觀。通過(guò)初始應(yīng)變，能夠降低這些轉(zhuǎn)變的能量屏障，從而防止產(chǎn)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(chǎn)生微裂紋和裂縫，保護(hù)電池的可持續(xù)性和儲(chǔ)能能力。”

另外，通過(guò)拉伸電極，電池可以在更寬的電壓窗口工作，從而提高其儲(chǔ)能能力。

現(xiàn)代儲(chǔ)能面臨的挑戰(zhàn)

研究人員表示，儲(chǔ)能領(lǐng)域的主要關(guān)注點(diǎn)之一是，擺脫電池中常用的易燃液體電解質(zhì)，并將其置入固體材料中。眾所周知，隨著時(shí)間的推移，固體物體會(huì)因反復(fù)受壓而受損。一旦出現(xiàn)裂紋，表面兩側(cè)將失去接觸。就電池而言，這會(huì)引起簡(jiǎn)單的機(jī)械問(wèn)題，因?yàn)闆](méi)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(jī)械挑戰(zhàn)，以開發(fā)更安全、更可持續(xù)的電池。研究人員表示，其新穎之處在于，通過(guò)引入基本力學(xué)概念延長(zhǎng)現(xiàn)有材料壽命，而不是尋找新材料來(lái)延長(zhǎng)電池的壽命。Renuka-Balakrishna表示：“在開發(fā)電池的過(guò)程中，并不總是納入力學(xué)概念。現(xiàn)在工程師們可以利用 Zhang開發(fā)和研究的這項(xiàng)理論和工具，設(shè)計(jì)并改變電池材料的有效期。”

研究人員表示，延長(zhǎng)電池的使用壽命，有助于延長(zhǎng)設(shè)備使用時(shí)間，充分減少電池更換頻率，使電子設(shè)備和電動(dòng)汽車用戶受益。考慮到鋰離子電池的成本，隨著時(shí)間的推移，還將為用戶節(jié)省大量資金。此外，對(duì)于減排和減少?gòu)U舊電池而言，可持續(xù)能源存儲(chǔ)是重要組成部分。研究人員希望，通過(guò)這項(xiàng)工作，開辟一條新的研究路線，提高材料的可逆性。