電池廣泛用于日常應(yīng)用，例如為電動(dòng)汽車、電子設(shè)備供電，并且是可持續(xù)能源存儲(chǔ)的有希望的候選者。但是，正如您可能已經(jīng)注意到，每天為電池充電時(shí)，它們的儲(chǔ)電能力會(huì)隨著時(shí)間的推移而下降。最終，我們需要更換這些電池，這不僅價(jià)格昂貴，而且會(huì)耗盡制造它們所用的稀土元素。

：Pexels，MohamedAbdelghaffar

電池壽命縮短的一個(gè)關(guān)鍵因素是電池結(jié)構(gòu)完整性的退化。為了阻止結(jié)構(gòu)退化，南加州大學(xué)維特比工程學(xué)院的一組研究人員希望在電池材料中引入“拉伸”，這樣它們就可以重復(fù)循環(huán)而不會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)疲勞。這項(xiàng)研究由WiSEGabilan航天與機(jī)械工程助理教授AnanyaRenuka-Balakrishna、南加州大學(xué)Viterbi博士生DelinZhang以及布朗大學(xué)教授BrianSheldon的研究人員領(lǐng)導(dǎo)。他們的工作發(fā)表在《固體力學(xué)與物理學(xué)雜志》上。

典型的電池通過(guò)從電極插入和提取鋰離子的重復(fù)循環(huán)來(lái)工作。這種插入和提取會(huì)擴(kuò)展和壓縮電極晶格。隨著時(shí)間的推移，這些體積變化會(huì)產(chǎn)生微裂紋、斷裂和缺陷。

“電池材料中的這些微裂紋和斷裂將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)退化，最終會(huì)降低電池容量，”張說(shuō)：“最終，電池將不得不更換新電池。”

為了阻止這種情況，研究插層材料（一類用作鋰離子電池電極的材料）的張?zhí)崆袄炝诉@些插層電極。初始應(yīng)力狀態(tài)的這種變化調(diào)節(jié)相變電壓，從而使電極對(duì)斷裂或非晶化（失去其結(jié)晶特性）更具彈性。

更寬的電壓，更大的容量

相變，當(dāng)電池材料改變物理形態(tài)時(shí)，由伴隨日常充電和使用的膨脹和壓縮循環(huán)產(chǎn)生。

張說(shuō)：“這些相變會(huì)使電極更容易受到結(jié)構(gòu)退化的影響，特別是當(dāng)這個(gè)過(guò)程重復(fù)如此頻繁時(shí)。”

相位的可逆性是允許電池隨時(shí)間保持高效功能的關(guān)鍵。

Renuka-Balakrishna說(shuō)：“通過(guò)確保材料保持其結(jié)晶形式可以最大程度地增強(qiáng)可逆性。在某些電壓下，當(dāng)材料從一個(gè)相轉(zhuǎn)移到另一個(gè)相時(shí)，它們會(huì)變成粉狀，這對(duì)于電池的高效運(yùn)行來(lái)說(shuō)并不理想。”

研究人員因此問(wèn)自己，“有沒(méi)有辦法讓電池材料在能量景觀之間來(lái)回循環(huán)時(shí)保持晶體形式？”答案是：通過(guò)引入初始應(yīng)力狀態(tài)來(lái)改變材料的結(jié)構(gòu)。

通過(guò)在充電/放電之前拉伸電極，研究人員改變了電極從充電狀態(tài)到放電狀態(tài)的能量圖譜。這也允許電池在更寬的電壓范圍內(nèi)工作，如右圖所示。：張德林

張說(shuō)：“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)的能量圖譜。這種初始應(yīng)變使我們能夠減少這些轉(zhuǎn)變的能壘并防止有害的晶格導(dǎo)致材料失效的變形。能源格局的這種變化有助于防止微裂紋和斷裂，保護(hù)電池的可持續(xù)性和儲(chǔ)能能力。”

另一個(gè)好處是，通過(guò)拉伸電極，電池還可以在更寬的電壓窗口中運(yùn)行，從而提高其儲(chǔ)能能力。

現(xiàn)代儲(chǔ)能的挑戰(zhàn)

儲(chǔ)能社區(qū)的主要關(guān)注點(diǎn)之一是擺脫通常用于電池的易燃液體電解質(zhì)，并將其放入固體材料中。這帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。

眾所周知，固體物體在反復(fù)受壓時(shí)會(huì)隨著時(shí)間的推移而變質(zhì)。一旦引入裂紋，表面的兩側(cè)將失去接觸。就電池而言，它會(huì)產(chǎn)生一個(gè)簡(jiǎn)單的機(jī)械問(wèn)題；Renuka-Balakrishna說(shuō)，如果沒(méi)有這種連接，就很難在材料中傳輸離子。

張確定的方法是嘗試在應(yīng)對(duì)這一機(jī)械挑戰(zhàn)的同時(shí)，朝著更安全、更可持續(xù)的電池邁進(jìn)。研究人員說(shuō)，這種方法的新穎之處在于，您可以通過(guò)引入基本力學(xué)概念來(lái)延長(zhǎng)現(xiàn)有材料的壽命，而不是尋找新材料來(lái)延長(zhǎng)電池壽命。

“力學(xué)并不總是開(kāi)發(fā)電池的一個(gè)組成部分，”Renuka-Balakrishna說(shuō)：“但現(xiàn)在工程師可以利用張創(chuàng)造的這個(gè)理論/工具來(lái)設(shè)計(jì)電池材料的壽命。”

延長(zhǎng)電池的使用壽命將使電子設(shè)備和電動(dòng)汽車的用戶受益，從而延長(zhǎng)設(shè)備的使用時(shí)間并最大限度地減少電池更換。考慮到鋰離子電池的成本，隨著時(shí)間的推移，它還可以為用戶節(jié)省大量資金。

不僅如此，可持續(xù)能源存儲(chǔ)是減少有害溫室氣體排放和減少電池浪費(fèi)的重要組成部分，我們希望通過(guò)我們的工作開(kāi)辟一條新的研究路線，以提高材料的可逆性。