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

：Pexels，MohamedAbdelghaffar

電池壽命縮短的一個關鍵因素是電池結構完整性的退化。為了阻止結構退化，南加州大學維特比工程學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循環(huán)而不會出現(xiàn)結構疲勞。這項研究由WiSEGabilan航天與機械工程助理教授AnanyaRenuka-Balakrishna、南加州大學Viterbi博士生DelinZhang以及布朗大學教授BrianSheldon的研究人員領導。他們的工作發(fā)表在《固體力學與物理學雜志》上。

典型的電池通過從電極插入和提取鋰離子的重復循環(huán)來工作。這種插入和提取會擴展和壓縮電極晶格。隨著時間的推移，這些體積變化會產生微裂紋、斷裂和缺陷。

“電池材料中的這些微裂紋和斷裂將導致結構退化，最終會降低電池容量，”張說：“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。初始應力狀態(tài)的這種變化調節(jié)相變電壓，從而使電極對斷裂或非晶化（失去其結晶特性）更具彈性。

更寬的電壓，更大的容量

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

張說：“這些相變會使電極更容易受到結構退化的影響，特別是當這個過程重復如此頻繁時。”

相位的可逆性是允許電池隨時間保持高效功能的關鍵。

Renuka-Balakrishna說：“通過確保材料保持其結晶形式可以最大程度地增強可逆性。在某些電壓下，當材料從一個相轉移到另一個相時，它們會變成粉狀，這對于電池的高效運行來說并不理想。”

研究人員因此問自己，“有沒有辦法讓電池材料在能量景觀之間來回循環(huán)時保持晶體形式？”答案是：通過引入初始應力狀態(tài)來改變材料的結構。

通過在充電/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工作，如右圖所示。：張德林

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

另一個好處是，通過拉伸電極，電池還可以在更寬的電壓窗口中運行，從而提高其儲能能力。

現(xiàn)代儲能的挑戰(zhàn)

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

眾所周知，固體物體在反復受壓時會隨著時間的推移而變質。一旦引入裂紋，表面的兩側將失去接觸。就電池而言，它會產生一個簡單的機械問題；Renuka-Balakrishna說，如果沒有這種連接，就很難在材料中傳輸離子。

張確定的方法是嘗試在應對這一機械挑戰(zhàn)的同時，朝著更安全、更可持續(xù)的電池邁進。研究人員說，這種方法的新穎之處在于，您可以通過引入基本力學概念來延長現(xiàn)有材料的壽命，而不是尋找新材料來延長電池壽命。

“力學并不總是開發(fā)電池的一個組成部分，”Renuka-Balakrishna說：“但現(xiàn)在工程師可以利用張創(chuàng)造的這個理論/工具來設計電池材料的壽命。”

延長電池的使用壽命將使電子設備和電動汽車的用戶受益，從而延長設備的使用時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)能源存儲是減少有害溫室氣體排放和減少電池浪費的重要組成部分，我們希望通過我們的工作開辟一條新的研究路線，以提高材料的可逆性。