锂离子电池广泛应用于手机和电动汽车等领域。但是，经过数百次充电循环后，锂离子电池容易降解，直至完全无法充电。
据外媒报道，芝加哥大学普利兹克分子工程学院（PME）的研究人员结合使用高功率电子显微镜和计算模型，从原子层面准确了解锂离子电池降解时会发生什么。这项研究指出了一种方法，通过关注一种经常被忽视的结构组分——碳结合域（carbon binder domain，CBD），可以设计更持久的锂离子电池。研究负责人Y. Shirley Meng 教授表示：“这项工作是朝着更高效和可持续的电池技术迈出的一步。”
在整个充电循环中，正、负极的活性物质会膨胀和收缩，不断产生“颗粒裂纹”和其他物理损害，从而影响锂离子电池的性能。以前，锂离子电池的电极小而薄，研究人员曾对其中发生的颗粒裂纹和降解进行过表征。然而，为了开发更大的电动汽车电池，现在电极变得更厚、能量密度更高。
加州大学圣地亚哥分校（University of California San Diego）的项目科学家Minghao Zhang表示，厚电极的动力学与薄电极的动力学有很大的不同。“在更厚、能量更高的电极中，实际上降解程度要严重得多。”
Zhang指出，对厚电极进行定量研究也更难。以前用于研究薄电极的工具，无法观察更大、更致密材料的结构。
结合显微镜和建模
在这项新研究中，Meng、Zhang和赛默飞世尔科技（Thermo Fisher Scientific）的研究人员利用等离子聚焦离子束扫描电子显微镜（PFIB-SEM），观察锂离子电池厚正极内部发生的变化。PFIB-SEM利用聚焦的射线使离子和电子带电，从而构建材料三维结构的超高分辨率图像。
研究人员利用成像方法来收集数据，包括一个全新的正极以及一个已经充电并耗尽15次的正极的数据。利用电子显微镜实验数据，该团队建立了计算模型，从而表明电池的降解过程。PME博士后研究员Mehdi Chouchane表示：“通过结合纳米级分辨率实验数据和模型，可以确定正极是如何降解的。如果没有模型，很难确定发生了什么。”
研究人员发现，电池各区域之间的差异，促使形成很多结构上的变化。正极表面的薄层更容易发生电解质腐蚀。因此，该顶层形成一个更厚的电阻层，导致底层的膨胀和收缩程度超过正极其他部分，从而加速降解。
该模型还指出了CBD的重要性。CBD是一种由含氟聚合物和碳原子组成的多孔网络，可以将电极中的活性物质聚集在一起，有助于通过电池传导电能。以前的研究没有表征，在电池使用过程中CBD是如何降解的。新的研究表明，随着时间的推移，CBD与正极活性材料之间接触的减弱，直接导致了锂离子电池性能下降。
Zhang表示：“这一变化甚至比活性物质的破裂更加明显。过去，许多研究人员一直关注活性物质破裂的问题。”
未来的电池
该团队利用这一正极模型，探讨如何通过微调电极设计来改变降解现象。研究人员表示，改变CBD结构网络，有助于防止CBD与活性物质之间接触状况的恶化，从而延长电池寿命。现在，工程师们可以通过物理实验来跟进这个假设。
该团队现正使用相同的方法来研究更厚的正极，并就如何减缓电极降解进行额外建模。赛默飞世尔科技的电池市场开发高级经理Dr. Zhao Liu表示：“这项研究开发了一种方法，主要涉及如何设计电极以提高未来电池的性能。”