但是，正如您可能已經(jīng)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(guān)鍵因素是電池結(jié)構(gòu)完整性的退化。為了阻止結(jié)構(gòu)退化，南加州大學(xué)維特比工程學(xué)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(fù)循環(huán)而不會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)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(xué)Viterbi博士生DelinZhang以及布朗大學(xué)教授BrianSheldon的研究人員領(lǐng)導(dǎo)。他們的工作發(fā)表在《固體力學(xué)與物理學(xué)雜志》上。

　　典型的電池通過從電極插入和提取鋰離子的重復(fù)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(chǎn)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(dǎo)致結(jié)構(gòu)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?！?/p>

　　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(yīng)力狀態(tài)的這種變化調(diào)節(jié)相變電壓，從而使電極對斷裂或非晶化(失去其結(jié)晶特性)更具彈性。

　　更寬的電壓，更大的容量

　　相變，當(dāng)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(chǎn)生。

　　張說：“這些相變會使電極更容易受到結(jié)構(gòu)退化的影響，特別是當(dāng)這個過程重復(fù)如此頻繁時?！?/p>

　　相位的可逆性是允許電池隨時間保持高效功能的關(guān)鍵。

　　Renuka-Balakrishna說：“通過確保材料保持其結(jié)晶形式可以最大程度地增強可逆性。在某些電壓下，當(dāng)材料從一個相轉(zhuǎn)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?！?/p>

　　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(yīng)力狀態(tài)來改變材料的結(jié)構(gòu)。

　　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(nèi)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(yīng)變使我們能夠減少這些轉(zhuǎn)變的能壘并防止有害的晶格導(dǎo)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?！?/p>

　　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(guān)注點之一是擺脫通常用于電池的易燃液體電解質(zhì)，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(fù)受壓時會隨著時間的推移而變質(zhì)。一旦引入裂紋，表面的兩側(cè)將失去接觸。就電池而言，它會產(chǎn)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(yīng)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(xué)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(xué)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(shè)計電池材料的壽命?！?/p>

　　延長電池的使用壽命將使電子設(shè)備和電動汽車的用戶受益，從而延長設(shè)備的使用時間并最大限度地減少電池更換?？紤]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。