手機電池越來越不耐用?原來以前的研究對「鋰電池」的理解是錯的!

手機電池越來越不耐用?原來以前的研究對「鋰電池」的理解是錯的!

被稱為離子的顆粒實際上在電解質中來回循環和流動。這會在電池內部產生隨機密集的離子,進而產生大量熱量,損壞電池的使用壽命。

手機電池越來越不耐用?原來以前的研究對「鋰電池」的理解是錯的!

為什麼新手機的電池能用很長時間,但在一年後就只能用幾個小時了?來自《路透社》的報導稱,最新研究揭示了鋰離子電池如何降解並為更持久的電池鋪平道路。

科學家終於揭開了為什麼智慧型手機電池在使用一年左右之後會出現電池壽命迅速衰減的祕密。根據最新調查結果,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。根據研究人員的說法,這些最新研究成果可用於製造新型電池,使電池持續更長時間並保持電量而不會損壞電池的使用壽命。科學家表示,這可能可以促進於電動汽車的大規模推廣,以及改善全球數十億依靠電池運轉的小工具的使用壽命。

這項突破性的研究來自史丹佛大學,麻省理工學院和巴斯大學的研究人員,他們發現我們對鋰離子電池(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。已知帶電粒子透過電解質在正電極和負電極之間流動,並且該運動產生電荷。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,現在已經發現原先的理解和現實是非常不同的,被稱為離子的顆粒實際上在電解質中來回循環和流動。這會在電池內部產生隨機密集的離子,進而產生大量熱量,損壞電池的使用壽命。

手機電池越來越不耐用?原來以前的研究對「鋰電池」的理解是錯的!

結果,電池失去了保持電量的能力,我們經常發現自己更經常地依賴行動電源。

史丹佛大學助理教授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奈米顆粒。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。」該研究利用史丹佛大學SLAC國家加速器實驗室的設施,讓科學家團隊在奈米尺度上研究電池的工作細節。Chueh博士詳細闡述了這一現象,並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,但電池內部不是真空的,它充滿了液體。」該團隊相信他們將能夠透過改變運輸路徑來解決這個缺陷,並在未來開發出更耐用的電池。

那麼問題來了,鋰離子電池究竟如何工作?

實際上,鋰離子電池透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,比如為鑽機提供動力一樣。

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,陽極由碳製成,陰極由稱為金屬氧化物的化合物製成,如氧化鈷。

最終的電池成分稱為電解質,它位於兩個電極之間。在鋰離子電池的情況下,電解質是含有鋰離子的鹽溶液。鋰電池也因此得名。將電池放入設備時,帶正電的鋰離子會被吸引並向陰極移動。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並利用電子流向陰極的能量來產生電能。你可以把它想像成水輪,除了在這裡不是水流動,而是電子流動。

鋰離子電池特別有用,因為它們是可充電的。當電池連接到充電器時,鋰離子以與以前相反的方向移動。當它們從陰極移動到陽極時,電池恢復供另一次使用。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。

那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。當電池正在充電時,鋰離子從正電極中提取並透過晶體結構和電解質移動到負電極,在那裡它們被儲存下來。此過程發生得越快,電池充電的速度就越快。製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並具有高能量密度。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,製造具有奈米顆粒的實用電池是困難的,因為它與電解質產生許多棘手的化學反應,因此電池不會持續那麼長,而且製造成本昂貴。

本文授權轉載自網易科技

 

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