研究发现电池正极上的裂纹会加快EV充电速度

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据外媒报道，密歇根大学（University of Michigan）研究表明，锂离子电池正极上的裂纹不是完全有害的，而是可能加快电池的充电速度。

（图片来源：密歇根大学）

许多电动汽车制造商的观点与此不同，通常会尽量减少裂纹，以免缩短电池的使用寿命。密歇根大学材料科学与工程学助理教授Yiyang Li表示：“许多公司希望使用不会破裂的颗粒来制造‘百万英里’电池。然而，如果去除裂纹，就不会有这些裂纹带来的额外表面积，电池颗粒将无法快速充电。在旅行时，用户并不希望等待5个小时来给汽车充电，而是希望在15或30分钟内充满电。”

该团队认为，这一发现适用于一半以上的电动汽车电池，其中这些电池的正极由数万亿个由锂镍锰钴氧化物或锂镍钴铝氧化物制成的微颗粒组成。

理论上来说，正极电荷的速度取决于颗粒的表面积与体积之比。小颗粒比大颗粒的充电速度更快，因为它们相对于体积有更高的表面积，从而缩短其中锂离子的扩散距离。然而，传统方法无法直接测量单个正极颗粒的充电特性，只能测量构成电池正极的所有颗粒的平均值。这意味着以往对充电速度和正极颗粒大小之间关系的认识，仅仅是一种假设。

密歇根大学材料科学与工程学博士生Jinhong Min表示：“研究发现正极颗粒破裂后，具有更多的活性表面来吸收锂离子，不仅在颗粒外表面，而且在裂纹内部。研究人员已经知道颗粒会发生破裂，但尚未测量破裂状态如何影响充电速度。”

了解正极裂纹的优点，关键在于测量单个正极颗粒的充电速度。为了做到这一点，研究人员将这些颗粒插入神经科学家常用来研究单个脑细胞如何传输电信号的装置。Li表示：“一位研究神经科学的同事曾向我展示用来研究单个神经元的阵列。我想知道，我们是否也可以用它们来研究电池颗粒，因为颗粒大小与神经元相似。”

每个阵列都是定制设计的2 x 2厘米芯片，具有多达100个微电极。在芯片中心布散一些正极颗粒，然后，研究人员使用比人类头发丝细约70倍的针，将单个颗粒移到阵列上各自的电极上。当颗粒就位后，研究人员可以在阵列上同时对最多4个单独的颗粒进行充放电。在这项特定的研究中，研究人员测量了21个颗粒。

实验表明，正极颗粒的充电速度并不取决于其大小。研究人员认为，这极有可能是因为较大的颗粒在破裂时，实际上表现得像较小颗粒的集合。另一种可能性是，锂离子在晶界（构成正极颗粒的纳米级晶体之间的微小空间）中移动得非常快。但是，Li认为这不太可能，除非电池的电解质穿透这些边界，形成裂缝。

研究人员在设计具有不破裂单晶颗粒的长寿命电池时，必须考虑破裂材料的优点。为了实现快速充电，这些颗粒可能要小于现在的正极破裂颗粒。Li表示，另一种选择是用不同的材料来制造单晶正极，从而更快地移动锂。但是，这些材料可能能量密度较低，或者其中必要的金属供应有限。

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