在地球上，由于重力而產(chǎn)生的加速度約為9.8m / s 2，但是，如果您要制造一種能夠擺脫地球拉力的火箭，那么您將必須做得更好。您將需要考慮風(fēng)阻，熱量和其他因素。在現(xiàn)實世界中，力會相互影響，有時您只有在觀看正在運動的火箭時才能理解它們的作用。

圣路易斯華盛頓大學(xué)麥凱爾維工程學(xué)院能源，環(huán)境與化學(xué)工程系助理教授彭白的實驗室進行的新研究，呼應(yīng)了這一概念。

通過觀察電荷逐個粒子在鋰離子電池電極中移動，并通過圖像分析計算任何給定點的真實電流密度，Bai能夠確定需要做些什么來構(gòu)建更安全的電池，并且與單個粒子的能力無關(guān)。

相反，粒子需要分擔(dān)負(fù)擔(dān)。

Bai說，“我們需要促進更多的粒子參與整個電極的反應(yīng)”。“然后，我們可以降低實際的局部電流密度，并避免產(chǎn)生危險的熱點。”

這項研究于2021年2月12日在線發(fā)表在《先進能源材料》雜志上。

Bai和Bai實驗室的博士生Shubham Agrawal使用石墨作為模型系統(tǒng)研究了鋰離子電池電極中電荷的運動。石墨是商用鋰離子電池的標(biāo)準(zhǔn)負(fù)極材料。在電池充電期間，鋰離子會擴散到石墨晶體結(jié)構(gòu)的空位中，并引起所謂的固態(tài)相變。結(jié)果，隨著容納越來越多的鋰離子，石墨的誘導(dǎo)新相，即鋰化石墨，顏色從深灰變?yōu)樗{色，變?yōu)榧t色，最終變?yōu)榻稹?/p>

這種特殊的光學(xué)特性使Bai和Agrawal可以直接確定鋰離子在電極中的分布。使用進一步的圖像分析，他們可以確定電荷的移動。阿格拉瓦爾說：“當(dāng)我們開始給電極充電時，我們看到的只有少數(shù)區(qū)域改變了顏色，但是很大的區(qū)域仍然是灰色的。”

在充電過程中分析了成千上萬的電極圖像后，他們能夠確定變色區(qū)域中的真實電流密度(某一特定區(qū)域每單位時間累積電荷的量度)?；疑珔^(qū)域的電流密度為零。

Bai說：“以前曾報道過類似現(xiàn)象，但只有通過數(shù)學(xué)模型可以解釋動力學(xué)，我們才能將其稱為高逼真度真相。” 在這項工作中，Bai開發(fā)了一個新的數(shù)學(xué)模型，該模型可以精確地將觀察到的電荷運動與測量到的電流密度相關(guān)聯(lián)。Bai說：“本地電流密度比視在電流密度至少高兩個數(shù)量級。”他將具有較高電流密度的地方稱為“熱點”。

視在電流密度是電極整個區(qū)域(包括不活動的灰色區(qū)域)上的總電流的平均值，這是當(dāng)前電池設(shè)計中使用的數(shù)量。Bai說：“但是現(xiàn)在很明顯，真正重要的是局部電流密度。” 局部熱點會影響電池的功能，從降低其效率到導(dǎo)致電池故障等任何事情，都可能造成危險。

Agrawal說：“基于同步輻射X射線的方法通常用于這種類型的表征，但是我們在這里證明了一種經(jīng)濟的臺式光學(xué)顯微鏡可以提供非常有用的補充信息。” 這種方法幫助Agrawal為他的每個紐扣電池獲取了數(shù)以萬計的圖像。結(jié)果確保對數(shù)學(xué)模型及其可以產(chǎn)生的物理見解進行全面驗證。

實驗電池通常是經(jīng)過特殊設(shè)計的，其結(jié)構(gòu)和工作條件可能與商用電池有很大不同。Bai說：“這就是為什么我們必須使用數(shù)學(xué)模型來考慮所有差異并將理解轉(zhuǎn)化為適合實際應(yīng)用的指導(dǎo)的原因。”

Bai說：“當(dāng)您真正檢查局部電流密度時，您會意識到它受相變控制的兩個級別。” 它確定有多少粒子參與反應(yīng)，以及一種顏色將以多快的速度掃過單個粒子。Bai補充說，重要的是，現(xiàn)在他們了解電池內(nèi)部實際發(fā)生的情況以及驅(qū)動電池的過程。“對于理想的扁平電極，您不能使用非常完善的經(jīng)典電化學(xué)理論來理解厚多孔電極中的電化學(xué)工程問題。”

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