普渡大學(xué)的一個(gè)研究小組發(fā)表了一篇研究報(bào)告，研究鋰離子電池活性和非活性元素之間的關(guān)系，以及它們各自成分的微觀和納米結(jié)構(gòu)如何反映電池的性能和安全性。

該研究最近在ACSAppliedMaterials＆Interfaces雜志的封面上刊登。

“可再充電電池?zé)o處不在，”機(jī)械工程副教授，研究首席研究員ParthaMukherjee說(shuō)。“我們可能隨時(shí)隨身攜帶兩到三部便攜式電子產(chǎn)品。但是電池本身的不同元素之間的相互作用仍然不清楚。我的研究希望彌合這一差距。”

在Mukherjee的實(shí)驗(yàn)室，能源和運(yùn)輸科學(xué)實(shí)驗(yàn)室（ETSL），研究人員研究各種形式的能源運(yùn)輸和儲(chǔ)存，包括電池和燃料電池。他們使用計(jì)算機(jī)建模來(lái)提出涉及組成元素的新配置，然后在實(shí)驗(yàn)室中測(cè)試不同的現(xiàn)象。YouTube視頻可通過(guò)www.youtube.com/watch?v=_mK_mDmhjIg獲取。

“這就像烘烤蛋糕，”AashutoshMistry博士說(shuō)。機(jī)械工程的候選人。“你應(yīng)該使用多少面團(tuán)？你應(yīng)該放多少櫻桃，這樣它的味道很好？以同樣的方式，我們看看這些電池電極的基本比例或配方。任何你在微觀上改變的東西最終都會(huì)影響整體性能。”

“例如，讓我們來(lái)看電動(dòng)車吧，”穆克吉說(shuō)。“人們對(duì)三件事感興趣。性能：我能開(kāi)多快的車？生活：在充電之前我能開(kāi)多久？最后，安全問(wèn)題。我們已經(jīng)看到這些電池以驚人的方式公開(kāi)失敗，在智能手機(jī)和電動(dòng)汽車中爆炸。所以，這三個(gè)方面-性能，生活和安全-都非常重要。這可能是一個(gè)棘手的平衡，讓一切都正確。”

有時(shí)他們的實(shí)驗(yàn)室正在努力重現(xiàn)故意的失敗。在一輛典型的電動(dòng)汽車中，電池不是一個(gè)巨大的單元，而是數(shù)千個(gè)單獨(dú)的電池連接在一起。如果失敗了，附近的其他人會(huì)發(fā)生什么？對(duì)于一個(gè)測(cè)試，24個(gè)單元（大約一個(gè)磚的大小）的樣本模塊故意過(guò)度充電。一個(gè)細(xì)胞爆炸，導(dǎo)致所有細(xì)胞著火的連鎖反應(yīng)。

“一個(gè)電池內(nèi)部的溫度和壓力非常高，它融化了金屬外殼，引起火災(zāi)，”博士說(shuō)。候選人丹尼爾羅伯斯，因?yàn)樗弥粋€(gè)塑料袋燒焦的遺體。“在電動(dòng)汽車中，有幾千個(gè)這樣的電池，這些電池都位于你的座位下面！這就是為什么了解這些現(xiàn)象的基本原理非常重要，所以我們可以防止它發(fā)生。”

可充電電池通常包含正電極和負(fù)電極，由“活性材料”組成以儲(chǔ)存鋰。在兩個(gè)電極之間是隔膜，并且在整個(gè)過(guò)程中都有液體電解質(zhì)來(lái)傳輸鋰離子。最后，諸如導(dǎo)電添加劑和粘合劑（稱為“第二相”）的電化學(xué)非活性材料的組合有助于塑造復(fù)合多孔電極中的物理成分并增強(qiáng)導(dǎo)電性。在已發(fā)表的研究中，Mukherjee和他的團(tuán)隊(duì)研究了微觀和納米尺度上的活性物質(zhì)與次生階段之間的關(guān)系-孔隙率，物理形狀及其相互作用。改變?nèi)魏芜@些特性都會(huì)導(dǎo)致電池整體性能的顯著變化。

“對(duì)于理解這些復(fù)雜的相互作用，我們還處于初級(jí)階段，”Mukherjee說(shuō)。“但這是我們研究的關(guān)鍵。我們將微型和納米級(jí)的發(fā)展與電池的性能，生命和安全聯(lián)系起來(lái)。”

隨著可充電電池的普及，其研究變得更加重要。“從便攜式電子產(chǎn)品到車輛，甚至在大型電網(wǎng)中，電池正在被廣泛使用。這是一個(gè)非常激動(dòng)人心的時(shí)間來(lái)進(jìn)行儲(chǔ)能研究。”