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小米科技|科學家終于看到了充放電過程中鋰電池的性能是如何一步步下降的

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小米科技|科學家終于看到了充放電過程中鋰電池的性能是如何一步步下降的

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小米科技|科學家終于看到了充放電過程中鋰電池的性能是如何一步步下降的

生活中 ， 我們會使用很多需要金屬電池作為續航動力的電子產品 ， 如使用鋰離子電池的手機、電腦、電動汽車等 。 很多人也會有這樣的經驗 ， 電子產品使用時間長了以后 ， 充電時會發現電池容易發熱 ， 充電速度變得越來越慢 ， 續航能力下降嚴重 ， 這個很容易理解 ， 因為電池在逐漸的老化了 。
但是有些人可能會說 ， 我的電池才用了不到一年 ， 怎么也有這種情況呢？那可能是因為充電方式不對 ， 加速了電池的老化 ， 比如經常使用快充；還有些人說我新買的手機基本沒怎么用 ， 怎么也充不進電了 ， 這可能是因為過放電導致了電池容量下降 。
以鋰離子電池為例 ， 電池的工作原理是鋰離子在電池的陽極和陰極之間來回跑動 ， 產生的化學能和電能互相轉化的一個過程 ， 能跑動的鋰離子越多 ， 電池越優秀 ， 從這點上理解 ， 電池續航能力下降是因為能跑動的鋰離子越來越少了 。
【小米科技|科學家終于看到了充放電過程中鋰電池的性能是如何一步步下降的】
那么 ， 為什么會出現這種現象呢？鋰離子怎么會變少呢？變少的鋰離子去了哪里？
電池本身的質量如電極材料的容量不足 ， 充電如大電流充電、過充、快充、充電次數太多 ， 還有過放電都會逐漸地減少鋰離子的跑動數量 ， 即電池容量下降 。
變少的鋰離子形成了樹枝狀的晶體 ， 稱為鋰枝晶 ， 從離子狀態變成晶體狀態 ， 被固定住了自然就不能跑了 ， 不跑那產生的電能就少了 ， 電池續航就大打折扣 ， 進而縮短電池的壽命 。
此外枝晶逐漸生長還會造成電池短路 ， 產生安全隱患如起火 。 因此消除枝晶是延長電池壽命的一個很重要的手段！很可惜 ， 目前尚未有好的辦法可以阻止枝晶的產生 ， 只能減緩 。
想消除枝晶 ， 就得了解它是如何形成的 ， 目前大多數電池研究人員還是使用傳統的電化學測量來測量整個電池的表面或內部 ， 他們無法真正地知道電池內部發生了什么 ， 最直觀最清楚的方式是能看見電池內部發生了什么 。

曾經有科學家用X射線成像技術來試圖看到電池充放電時內部的鋰在什么地方 ， 但是由于鋰很輕 ， 很難捕抓到它的微弱信號 。
還有科學家利用掃描電子顯微鏡和投射電子顯微鏡來觀察充放電過程中電極材料的變化時 ， 看到了電極和電解質之間的裂紋 ， 這可能是枝晶生長的地方 。
這些觀察都不足以很清楚的看到枝晶是如何以及何時形成的 ， 而清楚的看到枝晶的形成對查明電池故障 ， 優化電池性能有非常重要的作用 。
最近 ， 一個華人科研團隊在《Advanced Energy Materials》學術期刊上發表了一篇研究論文 ， 詳細地描述了他們的發現 。
他們開發了一種“新型原位”的3D 顯微鏡來直接對充放電反應過程中的電極形態變化進行成像并研究電池局部電化學環境 ， 在電池不斷地充放電過程中 ， 通過繪制不同時間點金屬的沉積速率圖 ， 他們清楚地觀察到了電池中細小的枝晶是何時開始、如何形成的 ， 及開始形成的位置 ， 而這些過程是電池性能在一步步下降的開始 。

“通過這個過程 ， 制造商理論上可以設計阻止枝晶生長的電池結構來制造性能更好的電池 ， ”研究工作的主要負責人Shan說 。

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