為什么你的手機(jī)電池在新的時(shí)候持?jǐn)?shù)天，但在一年后的幾個(gè)小時(shí)就只能用一天了？來(lái)自《路透社》的報(bào)道稱，最新研究揭示了鋰離子電池如何降解并為更持久的電池鋪平道路。

 

 

科學(xué)家終于揭開(kāi)了為什么智能手機(jī)電池在使用一年左右之后會(huì)出現(xiàn)電池壽命迅速衰減的秘密。根據(jù)最新調(diào)查結(jié)果，人們普遍理解的鋰離子電池工作原理是不正確的。它們不是帶電粒子在電池內(nèi)部以單一，均勻的方向流動(dòng)，而是以隨機(jī)的運(yùn)動(dòng)模式來(lái)回移動(dòng)。根據(jù)研究人員的說(shuō)法，這些最新研究成果可用于制造新型電池，使電池持續(xù)更長(zhǎng)時(shí)間并保持電量而不會(huì)損壞電池的使用壽命?？茖W(xué)家表示，這可能可以促進(jìn)于電動(dòng)汽車的大規(guī)模推廣，以及改善全球數(shù)十億依靠電池運(yùn)轉(zhuǎn)的小工具的使用壽命。

 

這項(xiàng)突破性的研究來(lái)自斯坦福大學(xué)，麻省理工學(xué)院和巴斯大學(xué)的研究人員，他們發(fā)現(xiàn)我們對(duì)鋰離子電池（這種類型為我們最喜愛(ài)的手機(jī)、電腦以及其他小電器提供動(dòng)力）的理解是不正確的。已知帶電粒子通過(guò)材料（電解質(zhì)）在正電極和負(fù)電極之間流動(dòng)，并且該運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電荷。然而，之前認(rèn)為鋰是各向異性的，這意味著它在單一方向上流動(dòng)，顆粒以單一、均勻的方式通過(guò)電池。然而，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)實(shí)是非常不同的，并且被稱為離子的顆粒實(shí)際上在電解質(zhì)中來(lái)回循環(huán)和流動(dòng)。這會(huì)在電池內(nèi)部產(chǎn)生隨機(jī)密集的離子，從而產(chǎn)生大量熱量，損壞電池的使用壽命。

 

 

結(jié)果，電池失去了保持電量的能力，我們經(jīng)常發(fā)現(xiàn)自己更經(jīng)常地依賴便攜式充電寶。

 

斯坦福大學(xué)助理教授William Chueh說(shuō)：'我們使用了來(lái)自加速器的非常強(qiáng)大的X射線，我們正在使用這些X射線來(lái)觀察這些單獨(dú)的納米顆粒。“我們最初的期望是鋰只在某些方向上移動(dòng)。 我們實(shí)際看到鋰的走向是不符合我們?cè)壤斫獾姆较?。該研究利用斯坦福大學(xué)SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室的設(shè)施，讓科學(xué)家團(tuán)隊(duì)在納米尺度上研究電池的工作細(xì)節(jié)。Chueh博士詳細(xì)闡述了這一現(xiàn)象，并解釋說(shuō)以前的理論沒(méi)有說(shuō)明液體如何與固體相互作用。他說(shuō)：“有點(diǎn)像太空，我們考慮粒子在真空中的表現(xiàn)，但電池內(nèi)部不是真空的，它充滿了液體。”該團(tuán)隊(duì)相信他們將能夠通過(guò)改變運(yùn)輸路徑來(lái)解決這個(gè)缺陷，并在未來(lái)開(kāi)發(fā)出更耐用的電池。

 

那么問(wèn)題來(lái)了，鋰離子電池究竟如何工作？

 

實(shí)際上，鋰離子電池通過(guò)將電子從電池的一端“移動(dòng)到另一端”來(lái)存儲(chǔ)和釋放能量。我們可以利用來(lái)自那些移動(dòng)電子的能量來(lái)為我們工作，比如為鉆機(jī)提供動(dòng)力一樣。

 

電池的這兩個(gè)“端”稱為電極。 一個(gè)稱為陽(yáng)極，另一個(gè)稱為陰極。通常，陽(yáng)極由碳制成，陰極由稱為金屬氧化物的化合物制成，如氧化鈷。

 

最終的電池成分稱為電解質(zhì)，它位于兩個(gè)電極之間。在鋰離子電池的情況下，電解質(zhì)是含有鋰離子的鹽溶液。鋰電池也因此得名。將電池放入設(shè)備時(shí)，帶正電的鋰離子會(huì)被吸引并向陰極移動(dòng)。一旦陰極被這些離子轟擊，陰極就會(huì)比陽(yáng)極充電更多，這會(huì)吸引帶負(fù)電的電子。隨著電子開(kāi)始向陰極移動(dòng)，我們迫使它們穿過(guò)我們的器件并利用電子流向陰極的能量來(lái)產(chǎn)生電能。你可以把它想象成水輪，除了在這里不是水流動(dòng)，而是電子流動(dòng)。

 

鋰離子電池特別有用，因?yàn)樗鼈兪强沙潆姷?。?dāng)電池連接到充電器時(shí)，鋰離子以與以前相反的方向移動(dòng)。當(dāng)它們從陰極移動(dòng)到陽(yáng)極時(shí)，電池恢復(fù)供另一次使用。與其他電池相比，鋰離子電池每單位重量也可以產(chǎn)生更多的電力。這意味著鋰離子電池可以存儲(chǔ)與其他電池相同的功率，但可以在更輕更小的體積中實(shí)現(xiàn)。

 

具體我們是如何為電池充電的呢？

 

簡(jiǎn)單來(lái)講，電池由三個(gè)部件組成：正電極，負(fù)電極和電解質(zhì)。當(dāng)電池正在充電時(shí)，鋰離子從正電極中提取并通過(guò)晶體結(jié)構(gòu)和電解質(zhì)移動(dòng)到負(fù)電極，在那里它們被存儲(chǔ)下來(lái)。此過(guò)程發(fā)生得越快，電池充電的速度就越快。制造電池的材料會(huì)嚴(yán)重限制該速率。石墨是負(fù)極的常用材料，因?yàn)樗芎芎玫亟邮苷x子并具有高能量密度。在尋找新的電極材料時(shí)，研究人員通常會(huì)嘗試使顆粒變小。然而，制造具有納米顆粒的實(shí)用電池是困難的，因?yàn)樗c電解質(zhì)產(chǎn)生許多棘手的化學(xué)反應(yīng)，因此電池不會(huì)持續(xù)那么長(zhǎng)，而且制造成本昂貴。