手機電池不耐用，是什么原因?qū)е碌哪兀?/h1>
來源：寶鄂實業(yè)
2019-04-11 13:15
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為什么你的手機電池在新的時候持數(shù)天，但在一年后的幾個小時就只能用一天了？來自《路透社》的報道稱，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)家終于揭開了為什么智能手機電池在使用一年左右之后會出現(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，而是以隨機的運動模式來回移動。根據(jù)研究人員的說法，這些最新研究成果可用于制造新型電池，使電池持續(xù)更長時間并保持電量而不會損壞電池的使用壽命。科學(xué)家表示，這可能可以促進于電動汽車的大規(guī)模推廣，以及改善全球數(shù)十億依靠電池運轉(zhuǎn)的小工具的使用壽命。
這項突破性的研究來自斯坦福大學(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)我們對鋰離子電池（這種類型為我們最喜愛的手機、電腦以及其他小電器提供動力）的理解是不正確的。已知帶電粒子通過材料（電解質(zhì)）在正電極和負電極之間流動，并且該運動產(chǎn)生電荷。然而，之前認為鋰是各向異性的，這意味著它在單一方向上流動，顆粒以單一、均勻的方式通過電池。然而，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)實是非常不同的，并且被稱為離子的顆粒實際上在電解質(zhì)中來回循環(huán)和流動。這會在電池內(nèi)部產(chǎn)生隨機密集的離子，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：'我們使用了來自加速器的非常強大的X射線，我們正在使用這些X射線來觀察這些單獨的納米顆粒。“我們最初的期望是鋰只在某些方向上移動。 我們實際看到鋰的走向是不符合我們原先理解的方向。該研究利用斯坦福大學(xué)SLAC國家加速器實驗室的設(shè)施，讓科學(xué)家團隊在納米尺度上研究電池的工作細節(jié)。Chueh博士詳細闡述了這一現(xiàn)象，并解釋說以前的理論沒有說明液體如何與固體相互作用。他說：“有點像太空，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。”該團隊相信他們將能夠通過改變運輸路徑來解決這個缺陷，并在未來開發(fā)出更耐用的電池。
那么問題來了，鋰離子電池究竟如何工作？
實際上，鋰離子電池通過將電子從電池的一端“移動到另一端”來存儲和釋放能量。我們可以利用來自那些移動電子的能量來為我們工作，比如為鉆機提供動力一樣。
電池的這兩個“端”稱為電極。 一個稱為陽極，另一個稱為陰極。通常，陽極由碳制成，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，帶正電的鋰離子會被吸引并向陰極移動。一旦陰極被這些離子轟擊，陰極就會比陽極充電更多，這會吸引帶負電的電子。隨著電子開始向陰極移動，我們迫使它們穿過我們的器件并利用電子流向陰極的能量來產(chǎn)生電能。你可以把它想象成水輪，除了在這里不是水流動，而是電子流動。
鋰離子電池特別有用，因為它們是可充電的。當(dāng)電池連接到充電器時，鋰離子以與以前相反的方向移動。當(dāng)它們從陰極移動到陽極時，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與其他電池相同的功率，但可以在更輕更小的體積中實現(xiàn)。
具體我們是如何為電池充電的呢？
簡單來講，電池由三個部件組成：正電極，負電極和電解質(zhì)。當(dāng)電池正在充電時，鋰離子從正電極中提取并通過晶體結(jié)構(gòu)和電解質(zhì)移動到負電極，在那里它們被存儲下來。此過程發(fā)生得越快，電池充電的速度就越快。制造電池的材料會嚴重限制該速率。石墨是負極的常用材料，因為它能很好地接受正離子并具有高能量密度。在尋找新的電極材料時，研究人員通常會嘗試使顆粒變小。然而，制造具有納米顆粒的實用電池是困難的，因為它與電解質(zhì)產(chǎn)生許多棘手的化學(xué)反應(yīng)，因此電池不會持續(xù)那么長，而且制造成本昂貴。
在過去的三十年里，鋰離子電池，一種將鋰離子來回移動到充電和放電的可充電電池，使得小型設(shè)備的充電速度更快，持續(xù)時間更長。由SLAC的斯坦福材料與能源科學(xué)研究所的教員、斯坦福材料科學(xué)教授威廉·崔領(lǐng)導(dǎo)的一個國際研究小組今天發(fā)表了這些發(fā)現(xiàn)。天然材料.“以前，它有點像一個黑匣子，”麻省理工學(xué)院教授、這項研究的另一位負責(zé)人馬丁·巴贊(MartinBazant)說。“你可以看到材料工作得很好，某些添加劑似乎也有幫助，但你不能確切地知道鋰離子在這個過程的每一步都會往哪里走。”你只能嘗試發(fā)展一種理論，并從測量中倒退。有了新的儀器和測量技術(shù)，我們開始對這些東西的工作原理有了更嚴格的科學(xué)理解。“爆米花效應(yīng)任何乘坐過電動巴士、使用過電動工具或使用過無繩真空的人，都有可能從他們研究的電池材料中獲益，磷酸鐵鋰。它也可以用于汽車的啟動-停止功能與內(nèi)燃機和儲存風(fēng)能和太陽能的電網(wǎng)。更好地理解這種材料和其他類似材料可能會導(dǎo)致更快的充電，更長的壽命和更耐用的電池。但直到最近，研究人員還只能猜測能讓它發(fā)揮作用的機制。當(dāng)鋰離子電池充放電時，鋰離子從液體溶液中流入固體儲藏室。但是一旦進入固體，鋰就會重新排列，有時導(dǎo)致材料分裂成兩個不同的相，就像油和水混合在一起時分開一樣。這就造成了覺悟所謂的“爆米花效應(yīng)”。離子聚集在一起，形成熱點，從而縮短電池壽命。
在這項研究中，研究人員使用了兩種X射線技術(shù)來探索鋰離子電池的內(nèi)部工作.在SLAC的斯坦福同步輻射光源(SSRL)上，他們將X射線從磷酸鐵鋰樣品中反射出來，以揭示其原子結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)，讓他們了解鋰離子在材料中是如何移動的。在伯克利實驗室的高級光源(Als)上，他們使用X射線顯微鏡放大了這個過程，讓他們能夠描繪出鋰的濃度隨時間的變化。上游游以前，研究人員認為磷酸鐵鋰是一種一維導(dǎo)體，這意味著鋰離子只能向一個方向穿過大部分物質(zhì)，就像鮭魚游向上游一樣。但是，在仔細研究他們的數(shù)據(jù)時，研究人員注意到，鋰在材料表面的運動方向與根據(jù)先前模型預(yù)測的方向完全不同。就好像有人把一片葉子扔到溪面上，發(fā)現(xiàn)水流的方向和游鮭魚完全不同。當(dāng)鋰離子流入電池的固體電極-這里是六角形切片-鋰可以重新排列，導(dǎo)致離子聚集成熱點，從而縮短電池壽命。學(xué)分：斯坦福大學(xué)/三維圖形他們與英國巴斯大學(xué)(UniversityofBath，UK)化學(xué)教授賽義夫·伊斯蘭(SaifulIslam)合作，開發(fā)該系統(tǒng)的計算機模型和模擬。這些研究表明，鋰離子在材料表面向另外兩個方向移動，從而使磷酸鐵鋰成為三維導(dǎo)體。“事實證明，這些額外的途徑是有問題的物質(zhì)，促進爆米花一樣的行為，導(dǎo)致它的失敗，”覺清說。“如果鋰可以在表面移動得更慢，它將使電池更加均勻。這是發(fā)展更高性能和更長壽命電池的關(guān)鍵。“電池工程的新前沿-離子電池確實是新的前沿，“他說。“我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)并開發(fā)了一些最好的散裝材料。我們已經(jīng)看到鋰離子電池為了跟進這項研究，研究人員將繼續(xù)將建模、仿真和實驗結(jié)合起來，試圖用SLAC的Linac相干光源(LCLS)等設(shè)備，在許多不同的長度和時間尺度下，了解有關(guān)電池性能的基本問題。在LCLS中，研究人員將能夠以每秒數(shù)萬億分之一的速度探測單個離子跳躍。“
來自俄羅斯國家研究核子大學(xué)(俄羅斯)的研究人員則在延長鋰電池使用壽命上有了新突破，他們正在研制含鎳-63納米團簇放射性同位素膜的放射性同位素β-伏打電池。其概念是開發(fā)壽命為100年的安全核電池，用于起搏器、微型葡萄糖傳感器、動脈血壓監(jiān)測系統(tǒng)、遙控物體和微型機器人以及能夠長期工作的獨立系統(tǒng)。研究成果發(fā)表在雜志上。應(yīng)用物理信函.研究人員比以往任何時候都更感興趣的項目，開發(fā)納米技術(shù)，以微型化技術(shù)設(shè)備，主要是納米電子系統(tǒng)。在創(chuàng)造將納米電子學(xué)和機械元件結(jié)合起來的微機電和納米機電系統(tǒng)方面的最新成就可以使開發(fā)微觀物理、生物或化學(xué)傳感器成為可能。然而，微型電池的缺乏為微機電系統(tǒng)和納米機電系統(tǒng)提供動力，阻礙了這類設(shè)備的大規(guī)模引進。今天，科學(xué)家們正在研究制造微型鋰離子電池、太陽能電池板、燃料電池和各種類型的冷凝器的可能性。然而，這些電池仍然太大，無法開發(fā)真正的微觀和納米系統(tǒng)。另一種為先進的微機電和納米機電系統(tǒng)供電的方法是使用放射性同位素電池。無線電同位素或核或原子電池將元穩(wěn)定元素(原子核)放射性衰變的能量轉(zhuǎn)化為電能。這些元素的質(zhì)量和體積都有很高的能量密度。持續(xù)能量排放的持續(xù)時間因核素的選擇而異。靜音無線電同位素電池可以在沒有錯誤或長期維護的情況下工作。鎳-63的獨特性能
熱電轉(zhuǎn)換被認為是將放射性衰變能量轉(zhuǎn)化為電能的最方便的方法之一。但科學(xué)家們也在研究β-伏打電池及其實際應(yīng)用。通過在微型電池中安裝一種發(fā)射軟β輻射的無線電同位素，可以保護用戶和附近的物體免受輻射。因此，這種電池將有廣泛的應(yīng)用。梅菲的研究人員研究了納米團簇鎳膜的電物理性質(zhì)，并選擇了實驗的最佳參數(shù)，目的是建立一個系統(tǒng)，有效地將鎳-63同位素的β衰變能量轉(zhuǎn)化為電能。鎳-63同位素是β-伏打過程中最有前途的放射性核素之一。這種軟β輻射發(fā)射器的半衰期很長，為100.1年。因此，這個獨特的元素非常適合為不需要高輸出的各種系統(tǒng)供電。
彈性、相對惰性和易于加工的鎳是一種有效的金屬，就其性能而言.它不必在集裝箱內(nèi)儲存和運輸。研究人員正試圖提高當(dāng)前系統(tǒng)的效率，將鎳-63元素的β衰變能量轉(zhuǎn)化為電能，并尋找替代的物理系統(tǒng)。這種方法很有希望。梅菲的研究人員正在使用新的方法梅菲物理技術(shù)計量問題學(xué)院的助理教授Pyotr Borisyuk說，研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種不尋常的物理系統(tǒng)，可以在納米結(jié)構(gòu)的鎳薄膜中產(chǎn)生二次電子，并大大增強β粒子一連串非彈性碰撞所引起的電流信號。他指出：“相對來說，制作一個實驗系統(tǒng)是相對容易的，該系統(tǒng)由密集填充的鎳納米團簇組成，納米粒子在氧化硅表面的梯度分布，這是一種寬帶介電，取決于它們的大小。”
