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據(jù)報道，密歇根大學(University of Michigan)研究表明，鋰離子電池正極上的裂紋不是完全有害的，而是可能加快電池的充電速度。
許多電動汽車制造商的觀點與此不同，通常會盡量減少裂紋，以免縮短電池的使用壽命。密歇根大學材料科學與工程學助理教授Yiyang Li表示：“許多公司希望使用不會破裂的顆粒來制造‘百萬英里’電池。然而，如果去除裂紋，就不會有這些裂紋帶來的額外表面積，電池顆粒將無法快速充電。在旅行時，用戶并不希望等待5個小時來給汽車充電，而是希望在15或30分鐘內(nèi)充滿電。”
該團隊認為，這一發(fā)現(xiàn)適用于一半以上的電動汽車電池，其中這些電池的正極由數(shù)萬億個由鋰鎳錳鈷氧化物或鋰鎳鈷鋁氧化物制成的微顆粒組成。
理論上來說，正極電荷的速度取決于顆粒的表面積與體積之比。小顆粒比大顆粒的充電速度更快，因為它們相對于體積有更高的表面積，從而縮短其中鋰離子的擴散距離。然而，傳統(tǒng)方法無法直接測量單個正極顆粒的充電特性，只能測量構成電池正極的所有顆粒的平均值。這意味著以往對充電速度和正極顆粒大小之間關系的認識，僅僅是一種假設。
密歇根大學材料科學與工程學博士生Jinhong Min表示：“研究發(fā)現(xiàn)正極顆粒破裂后，具有更多的活性表面來吸收鋰離子，不僅在顆粒外表面，而且在裂紋內(nèi)部。研究人員已經(jīng)知道顆粒會發(fā)生破裂，但尚未測量破裂狀態(tài)如何影響充電速度。”
了解正極裂紋的優(yōu)點，關鍵在于測量單個正極顆粒的充電速度。為了做到這一點，研究人員將這些顆粒插入神經(jīng)科學家常用來研究單個腦細胞如何傳輸電信號的裝置。Li表示：“一位研究神經(jīng)科學的同事曾向我展示用來研究單個神經(jīng)元的陣列。我想知道，我們是否也可以用它們來研究電池顆粒，因為顆粒大小與神經(jīng)元相似。”
每個陣列都是定制設計的2 x 2厘米芯片，具有多達100個微電極。在芯片中心布散一些正極顆粒，然后，研究人員使用比人類頭發(fā)絲細約70倍的針，將單個顆粒移到陣列上各自的電極上。當顆粒就位后，研究人員可以在陣列上同時對最多4個單獨的顆粒進行充放電。在這項特定的研究中，研究人員測量了21個顆粒。
實驗表明，正極顆粒的充電速度并不取決于其大小。研究人員認為，這極有可能是因為較大的顆粒在破裂時，實際上表現(xiàn)得像較小顆粒的集合。另一種可能性是，鋰離子在晶界(構成正極顆粒的納米級晶體之間的微小空間)中移動得非?？?。但是，Li認為這不太可能，除非電池的電解質(zhì)穿透這些邊界，形成裂縫。
研究人員在設計具有不破裂單晶顆粒的長壽命電池時，必須考慮破裂材料的優(yōu)點。為了實現(xiàn)快速充電，這些顆?？赡芤∮诂F(xiàn)在的正極破裂顆粒。Li表示，另一種選擇是用不同的材料來制造單晶正極，從而更快地移動鋰。但是，這些材料可能能量密度較低，或者其中必要的金屬供應有限。
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