简单的工具即可揭示锂离子电池的高保真度

在地球上，由于重力而产生的加速度约为9.8m / s 2，但是，如果您要制造一种能够摆脱地球拉力的火箭，那么您将必须做得更好。您将需要考虑风阻，热量和其他因素。在现实世界中，力会相互影响，有时您只有在观看正在运动的火箭时才能理解它们的作用。

圣路易斯华盛顿大学麦凯尔维工程学院能源，环境与化学工程系助理教授彭白的实验室进行的新研究，呼应了这一概念。

通过观察电荷逐个粒子在锂离子电池电极中移动，并通过图像分析计算任何给定点的真实电流密度，Bai能够确定需要做些什么来构建更安全的电池，并且与单个粒子的能力无关。

相反，粒子需要分担负担。

Bai说，“我们需要促进更多的粒子参与整个电极的反应”。“然后，我们可以降低实际的局部电流密度，并避免产生危险的热点。”

这项研究于2021年2月12日在线发表在《先进能源材料》杂志上。

Bai和Bai实验室的博士生Shubham Agrawal使用石墨作为模型系统研究了锂离子电池电极中电荷的运动。石墨是商用锂离子电池的标准负极材料。在电池充电期间，锂离子会扩散到石墨晶体结构的空位中，并引起所谓的固态相变。结果，随着容纳越来越多的锂离子，石墨的诱导新相，即锂化石墨，颜色从深灰变为蓝色，变为红色，最终变为金。

这种特殊的光学特性使Bai和Agrawal可以直接确定锂离子在电极中的分布。使用进一步的图像分析，他们可以确定电荷的移动。阿格拉瓦尔说：“当我们开始给电极充电时，我们看到的只有少数区域改变了颜色，但是很大的区域仍然是灰色的。”

在充电过程中分析了成千上万的电极图像后，他们能够确定变色区域中的真实电流密度(某一特定区域每单位时间累积电荷的量度)。灰色区域的电流密度为零。

Bai说：“以前曾报道过类似现象，但只有通过数学模型可以解释动力学，我们才能将其称为高逼真度真相。” 在这项工作中，Bai开发了一个新的数学模型，该模型可以精确地将观察到的电荷运动与测量到的电流密度相关联。Bai说：“本地电流密度比视在电流密度至少高两个数量级。”他将具有较高电流密度的地方称为“热点”。

视在电流密度是电极整个区域(包括不活动的灰色区域)上的总电流的平均值，这是当前电池设计中使用的数量。Bai说：“但是现在很明显，真正重要的是局部电流密度。” 局部热点会影响电池的功能，从降低其效率到导致电池故障等任何事情，都可能造成危险。

Agrawal说：“基于同步辐射X射线的方法通常用于这种类型的表征，但是我们在这里证明了一种经济的台式光学显微镜可以提供非常有用的补充信息。” 这种方法帮助Agrawal为他的每个纽扣电池获取了数以万计的图像。结果确保对数学模型及其可以产生的物理见解进行全面验证。

实验电池通常是经过特殊设计的，其结构和工作条件可能与商用电池有很大不同。Bai说：“这就是为什么我们必须使用数学模型来考虑所有差异并将理解转化为适合实际应用的指导的原因。”

Bai说：“当您真正检查局部电流密度时，您会意识到它受相变控制的两个级别。” 它确定有多少粒子参与反应，以及一种颜色将以多快的速度扫过单个粒子。Bai补充说，重要的是，现在他们了解电池内部实际发生的情况以及驱动电池的过程。“对于理想的扁平电极，您不能使用非常完善的经典电化学理论来理解厚多孔电极中的电化学工程问题。”

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