大学教授揭示锂电池的高保真原理 有助于设计更安全的锂电池

地球上因重力而产生的加速度约为9.8m/s2，但如果你想制造一枚能摆脱地球拉力的火箭，你必须做得比这更好。你需要把风阻、热量和其他因素考虑进去。在现实世界中，力的作用是相互影响的，有时你无法理解如何影响，直到你观看火箭的运动。

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白鹏实验室的新研究也回应了这一概念。

通过观察电荷在锂离子电池电极上逐粒移动，并通过图像分析计算出任何给定点的真实电流密度，Bai已经能够确定需要做什么来构建一个更安全的电池，而这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，那么我们就可以降低实际的局部电流密度，避免产生危险的热点。

该研究于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ShubhamAgrawal使用石墨作为模型系统来研究锂离子电池电极中的电荷移动。石墨是商用锂离子电池的标准负极材料。在电池充电过程中，锂离子可以扩散到石墨晶体结构中的空位，并诱导出所谓的固态相变。因此，诱导出的石墨新相，即锂化石墨，随着容纳越来越多的锂离子，颜色会从深灰色，到蓝色，再到红色，最终变成金色。

这种特殊的光学特性使得Bai和Agrawal可以直接确定锂离子在电极中的分布。利用进一步的图像分析，他们可以确定电荷的移动情况。Agrawal说：当我们开始给电极充电时，我们只看到少数区域改变了颜色，但非常大的区域仍然是灰色的。

在分析了电极在充电过程中的数千张图像后，他们能够确定变色区域的真实电流密度（单位时间内某一区域上累积电荷的量度），灰色区域的电流密度为零。

之前也有类似的现象报道，但只有当动态可以用数学模型解释时，我们才能称其为高保真真相。在这项工作中，Bai开发了一个新的数学模型，可以精确地将观察到的电荷运动与测量的电流密度相关联。局部电流密度至少比表观电流密度高两个数量级，Bai说他把电流密度较高的地方称为热点。

表观电流密度是整个电极区域内总电流的平均值，包括非活性灰色区域，这是目前电池设计中使用的量。但现在变得很明显，真正重要的是局部电流密度。局部热点会影响电池的功能做任何事情，从降低其效率到导致电池故障，使其具有潜在的危险性。

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，但我们在这里证明，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为他的每个金属电池获得了数万张图像。这些结果确保了对数学模型及其所能产生的物理见解的全面验证。

实验电池通常是专门设计的，其结构和工作条件可能与商用电池有很大不同。这就是为什么我们必须使用数学模型来考虑所有的差异，并将理解转化为适合实际应用的指导。

当你真正检查局部电流密度时，你会意识到它是由相变控制的，在两个层面上，它决定了有多少粒子参与反应，以及一种颜色扫过单个粒子的速度。Bai进一步解释道，重要的部分是，现在他们了解了电池内部实际发生的情况，以及是什么过程在驱动它。你不能用非常成熟的、经典的理想平面电极的电化学理论来理解厚多孔电极的电化学工程问题。