研究人员开发新型拉伸电极 提高电池的存储容量和寿命

据外媒报道，目前在电动汽车、电子设备等领域，电池已得到广泛应用，并有望成为可持续能源存储选项。众所周知，每天为电池充电，会使其功能逐渐衰退。最终更换这些电池，不仅要付出大量成本，而且会消耗稀土资源。

（图片来源：viterbischool）

据外媒报道，导致电池寿命缩短的关键因素在于电池的结构完整性出现退化。为了阻止结构退化，美国南加州大学维特比工程学院（USC Viterbi School of Engineering）的研究团队希望，通过“拉伸”电池材料，使其可以反复循环，不致出现结构疲劳。这项研究由该校航空航天与机械工程学WiSE Gabilan助理教授Ananya Renuka-Balakrishna、该校博士生Delin Zhang及布朗大学Brian Sheldon教授的团队人员领导进行。
通常情况下，在电池充放电过程中，离子在电极中反复嵌入和脱嵌，从而扩张和压缩电极晶格。随着时间的推移，在电极材料中，这些体积变化会逐渐导致产生微裂纹、裂缝和缺陷，最终引起结构退化，电池容量下降，而不得不更换新电池。
为了阻止这种情况，研究人员提前拉伸这些插层电极。通过初始应力状态变化来调节相变电压，从而使电极更具弹性，改善断裂或非晶化（失去其结晶特性）现象。

电压范围更广、容量更大
当电池材料的物理形式发生变化时，会发生相变，这是由日常充电和使用时的膨胀和压缩循环造成的。这些相变使电极更易发生结构退化，尤其是在这一过程反复发生时。要使电池在较长时间内保持有效功能，关键在于相位可逆性。Renuka-Balakrishna表示：“确保材料保持其结晶形式，可以充分增强可逆性。在一定电压下，当从一个相转变为另一相时，材料会变成粉状，这不利于电池高效运行。”
为了让电池材料在能量景观之间循环往复时保持结晶状态，研究人员通过引入初始应力状态来改变材料的结构。Zhang表示：“通过在充电和放电之前拉伸电极，我们正在改变电极从充电状态到放电状态的能量景观。通过初始应变，能够降低这些转变的能量屏障，从而防止产生有害的晶格变形，避免材料失效。这种能量景观变化有助于防止产生微裂纹和裂缝，保护电池的可持续性和储能能力。”
另外，通过拉伸电极，电池可以在更宽的电压窗口工作，从而提高其储能能力。

现代储能面临的挑战
研究人员表示，储能领域的主要关注点之一是，摆脱电池中常用的易燃液体电解质，并将其置入固体材料中。众所周知，随着时间的推移，固体物体会因反复受压而受损。一旦出现裂纹，表面两侧将失去接触。就电池而言，这会引起简单的机械问题，因为没有连接，很难在材料中传输离子。
Zhang指出的方法，尝试解决这一机械挑战，以开发更安全、更可持续的电池。研究人员表示，其新颖之处在于，通过引入基本力学概念延长现有材料寿命，而不是寻找新材料来延长电池的寿命。Renuka-Balakrishna表示：“在开发电池的过程中，并不总是纳入力学概念。现在工程师们可以利用 Zhang开发和研究的这项理论和工具，设计并改变电池材料的有效期。”
研究人员表示，延长电池的使用寿命，有助于延长设备使用时间，充分减少电池更换频率，使电子设备和电动汽车用户受益。考虑到锂离子电池的成本，随着时间的推移，还将为用户节省大量资金。此外，对于减排和减少废旧电池而言，可持续能源存储是重要组成部分。研究人员希望，通过这项工作，开辟一条新的研究路线，提高材料的可逆性。