地球上因重力而產(chǎn)生的加速度約為9.8m/s2，但如果你想制造一枚能擺脫地球拉力的火箭，你必須做得比這更好。你需要把風(fēng)阻、熱量和其他因素考慮進(jìn)去。在現(xiàn)實(shí)世界中，力的作用是相互影響的，有時(shí)你無(wú)法理解如何影響，直到你觀看火箭的運(yùn)動(dòng)。

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)工程系助理教授白鵬實(shí)驗(yàn)室的新研究也回應(yīng)了這一概念。

通過(guò)觀察電荷在鋰離子電池電極上逐粒移動(dòng)，并通過(guò)圖像分析計(jì)算出任何給定點(diǎn)的真實(shí)電流密度，Bai已經(jīng)能夠確定需要做什么來(lái)構(gòu)建一個(gè)更安全的電池，而這與單個(gè)粒子的能力無(wú)關(guān)。

相反，粒子需要分擔(dān)負(fù)擔(dān)。

Bai說(shuō)，我們需要促進(jìn)更多的粒子參與整個(gè)電極的反應(yīng)，那么我們就可以降低實(shí)際的局部電流密度，避免產(chǎn)生危險(xiǎn)的熱點(diǎn)。

該研究于2021年2月12日在線發(fā)表在《先進(jìn)能源材料》雜志上。

Bai和Bai實(shí)驗(yàn)室的博士生ShubhamAgrawal使用石墨作為模型系統(tǒng)來(lái)研究鋰離子電池電極中的電荷移動(dòng)。石墨是商用鋰離子電池的標(biāo)準(zhǔn)負(fù)極材料。在電池充電過(guò)程中，鋰離子可以擴(kuò)散到石墨晶體結(jié)構(gòu)中的空位，并誘導(dǎo)出所謂的固態(tài)相變。因此，誘導(dǎo)出的石墨新相，即鋰化石墨，隨著容納越來(lái)越多的鋰離子，顏色會(huì)從深灰色，到藍(lán)色，再到紅色，最終變成金色。

這種特殊的光學(xué)特性使得Bai和Agrawal可以直接確定鋰離子在電極中的分布。利用進(jìn)一步的圖像分析，他們可以確定電荷的移動(dòng)情況。Agrawal說(shuō)："當(dāng)我們開(kāi)始給電極充電時(shí)，我們只看到少數(shù)區(qū)域改變了顏色，但非常大的區(qū)域仍然是灰色的。"

在分析了電極在充電過(guò)程中的數(shù)千張圖像后，他們能夠確定變色區(qū)域的真實(shí)電流密度（單位時(shí)間內(nèi)某一區(qū)域上累積電荷的量度），灰色區(qū)域的電流密度為零。

之前也有類(lèi)似的現(xiàn)象報(bào)道，但只有當(dāng)動(dòng)態(tài)可以用數(shù)學(xué)模型解釋時(shí)，我們才能稱(chēng)其為高保真真相。在這項(xiàng)工作中，Bai開(kāi)發(fā)了一個(gè)新的數(shù)學(xué)模型，可以精確地將觀察到的電荷運(yùn)動(dòng)與測(cè)量的電流密度相關(guān)聯(lián)。局部電流密度至少比表觀電流密度高兩個(gè)數(shù)量級(jí)，Bai說(shuō)他把電流密度較高的地方稱(chēng)為"熱點(diǎn)"。

表觀電流密度是整個(gè)電極區(qū)域內(nèi)總電流的平均值，包括非活性灰色區(qū)域，這是目前電池設(shè)計(jì)中使用的量。但現(xiàn)在變得很明顯，真正重要的是局部電流密度。局部熱點(diǎn)會(huì)影響電池的功能做任何事情，從降低其效率到導(dǎo)致電池故障，使其具有潛在的危險(xiǎn)性。

Agrawal說(shuō)："基于同步輻射X射線的方法通常用于這種類(lèi)型的表征，但我們?cè)谶@里證明，經(jīng)濟(jì)的臺(tái)式光學(xué)顯微鏡可以提供非常有用的補(bǔ)充信息。"這種方法幫助Agrawal為他的每個(gè)金屬電池獲得了數(shù)萬(wàn)張圖像。這些結(jié)果確保了對(duì)數(shù)學(xué)模型及其所能產(chǎn)生的物理見(jiàn)解的全面驗(yàn)證。

實(shí)驗(yàn)電池通常是專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的，其結(jié)構(gòu)和工作條件可能與商用電池有很大不同。這就是為什么我們必須使用數(shù)學(xué)模型來(lái)考慮所有的差異，并將理解轉(zhuǎn)化為適合實(shí)際應(yīng)用的指導(dǎo)。

"當(dāng)你真正檢查局部電流密度時(shí)，你會(huì)意識(shí)到它是由相變控制的，在兩個(gè)層面上，它決定了有多少粒子參與反應(yīng)，以及一種顏色掃過(guò)單個(gè)粒子的速度。Bai進(jìn)一步解釋道，重要的部分是，現(xiàn)在他們了解了電池內(nèi)部實(shí)際發(fā)生的情況，以及是什么過(guò)程在驅(qū)動(dòng)它。你不能用非常成熟的、經(jīng)典的理想平面電極的電化學(xué)理論來(lái)理解厚多孔電極的電化學(xué)工程問(wèn)題。