作者：EuropeanSynchrotronRadiationFacility

一個國際研究小組近期在《先進(jìn)能源材料》雜志上發(fā)表了關(guān)于電池失效過程中所發(fā)生的最廣泛的研究，同時關(guān)注研究了電池的不同部分。其中歐洲同步加速器ESRF的作用對它的成功至關(guān)重要。

我們都經(jīng)歷過：你給手機(jī)充電了，用了一段時間后，電池電量異常迅速地下降。消費(fèi)類電子產(chǎn)品似乎以不均勻的速度斷電，這是由于電池的異質(zhì)性。當(dāng)手機(jī)充電時，頂層先充電，底層后充電。手機(jī)可能會顯示它已經(jīng)充電完成，此時頂部表面水平完成充電，但底部將是欠充電。但如果使用底層作為指紋，頂層將被過度充電，并且會出現(xiàn)安全問題。

事實上，電池是由許多不同的部件組成的，它們的工作方式不同。固體聚合物有助于顆粒結(jié)合，碳添加劑提供電連接，然后由活性電池顆粒儲存和釋放能量。

來自ESRF、SLAC、弗吉尼亞理工大學(xué)和普渡大學(xué)的一個國際科學(xué)家團(tuán)隊希望了解并定量定義導(dǎo)致鋰離子電池失效的原因。在此之前，研究要么在失效期間放大單個區(qū)域，要么放大陰極中的粒子，要么縮小觀察電池層的行為，而不提供足夠的微觀細(xì)節(jié)。現(xiàn)在，這項研究提供了第一個具有前所未有的微觀結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的全局視圖，以補(bǔ)充電池文獻(xiàn)中現(xiàn)有的研究。

如果你有一個完美的電極，每一個粒子都應(yīng)該以同樣的方式運(yùn)動。然而，電極是非常不均勻的，含有數(shù)以百萬計的微粒。沒有辦法確保每個粒子同時以相同的方式運(yùn)行。

為了克服這一挑戰(zhàn)，研究小組嚴(yán)重依賴同步加速器X射線方法，并使用兩個同步加速器設(shè)施來研究電池中的電極：ESRF、法國格勒諾布爾的歐洲同步加速器和美國斯坦福的SLAC國家加速器實驗室?！癊SRF使我們能夠以更高的分辨率研究更多的電池粒子，”弗吉尼亞理工大學(xué)的助理教授馮林（音譯）說。在SLAC進(jìn)行的補(bǔ)充實驗，特別是納米分辨率X射線光譜顯微鏡。

硬X射線相位對比納米斷層掃描顯示，在整個電極厚度上，每個粒子的分辨率都非常高。這使我們能夠在使用電池后跟蹤每個電池的損壞程度。論文中大約一半的數(shù)據(jù)來自ESRF，”ESRF的科學(xué)家、論文的第一作者楊揚(yáng)（音譯）解釋說。

“在實驗之前，我們不知道我們可以同時研究這些粒子。成像單個活性電池粒子一直是這個領(lǐng)域的焦點。為了制造更好的電池，你需要最大限度地發(fā)揮每個粒子的作用，”SLAC的科學(xué)家劉一金說。

弗吉尼亞理工實驗室制造了這些材料和電池，然后在ESRF和SLAC上測試它們的充電和退化行為。趙克杰（音譯），普渡大學(xué)的助理教授，領(lǐng)導(dǎo)了這個項目的計算建模工作。

本次論文的研究結(jié)果為電池中的微粒利用和褪色提供了一種診斷方法。這可以改善工業(yè)界如何設(shè)計快速充電電池的電極，”楊總結(jié)道。