新型电池可“拉伸”，存储容量及寿命全面升级

电池广泛应用于日常生活中，如电动汽车和电子产品，它还是可持续能源存储的实力候选者。但你可能已经注意到了，每天给电池充电，它们的性能会随着时间的推移而下降。最终，我们需要更换这些电池，这不仅很贵，而且会消耗制造它们所用的稀土元素。

电池寿命降低的一个关键因素是电池结构完整性的退化。为了防止结构退化，南加州大学维特比工程学院的一组研究人员希望在电池材料中引入“拉伸”这个概念，这样它们就可以反复循环而不会出现结构疲劳。这项研究由WiSE Gabilan航空航天和机械工程助理教授Ananya Renuka-Balakrishna、南加州大学维特比博士候选人Delin Zhang、以及布朗大学Brian Sheldon教授小组的研究人员进行开展。他们的研究成果发表在《固体力学与物理》杂志上。

Zhang说，传统的电池是通过在电极中插入和提取锂离子的重复循环来工作的。这种插入和提取会扩展和压缩电极晶格。随着时间的推移，这种体积的变化会产生裂缝和缺陷。

为了阻止这种情况，研究嵌层材料的Zhang教授提前拉伸了这些嵌层电极。初始应力状态的这种变化改变了相变电压，从而使电池更具弹性。

研究人员反问：“有没有一种方法可以让电池材料保持晶体形态，同时在能源之间实现循环？”得出的答案是：通过引入初始应力状态来改变材料的结构。

Zhang说：“通过在充电和放电前拉伸电极，我们改变了电极从充电状态到放电状态的能量格局。这种初始应变允许我们降低这些转换的能量势垒，还可以防止导致材料失效的有害晶格变形。这种能源格局的变化有助于防止微裂缝和断裂，保护电池的可持续能力和储能能力。”

我们都知道，固体物体在反复受到压力时，会随着时间的推移而恶化。一旦出现裂缝，表面的两边就会断开接触。Renuka-Balakrishna说：“如果没有这种连接，离子就很难通过这种材料传输。”

Zhang提出的方法在解决机械挑战的同时，向更安全、更可持续的电池迈出了尝试。研究人员说，这种方法的新颖之处在于，你可以通过引入基本力学概念来提高现有材料的寿命，而不是寻找一种新的材料来提高电池寿命。

Zhang说，提高电池寿命将使电子设备和电动汽车的用户受益，延长设备的使用时间，减少电池更换。考虑到锂离子电池的成本，随着时间的推移，它还可以为用户节省很多钱。

不仅如此，他还说：“可持续能源储存是减少有害温室气体排放和减少电池浪费的重要组成部分，我们希望通过我们的工作，开辟一条新的研究线，从而提高材料的可逆性。”

前瞻经济学人APP资讯组

来源：https://phys.org/news/2021-08-fundamental-mechanics-battery-storage-capacity.html