实时追踪锂电池衰降 反溯提升电池性能设计

对清洁电力、运输和便携式设备而言，能量储存是该领域发展面临的最主要的一个瓶颈。锂离子电池是目前最具前景的能量储存设备，通过电极间可逆的活性反应实现能量的储存和释放。

同时在电动汽车领域也有着很大的发展，特斯拉 Model S 100D电动汽车自2012年至今已从150公里的里程提升到至少500 km。但是锂离子电池价格仍然很高(US$250每千瓦时)且效率受限(200-250瓦时每千克)。

电极的衰减则是另一个十分重要的问题，而这亦是难以解决的。电化学过程中涉及的反应十分复杂且难以理解。主要决定于电极材料的性质以及液相和固相电解质。

为了更好的了解电极衰退的原因，研究者们需要找到新的方式来实时的追踪电化学过程。显微镜和光谱对实现这一目的而言过于昂贵同时对技术人员的要求也很高。并且测试的环境远不同于电池使用的环境，因此所得的结果不一定精确。

因此，研究电池电极的结构以及电化学反应如何变化并找到合适的手段进行追踪是十分重要的。通过对电极变形以及反应历程的研究，可以发展目前世界急需的有效且价廉的电池。

近日，武汉理工大学麦立强教授、华盛顿大学晏梦雨和哈佛大学赵云龙共同在Nature上发表题为“Track batteries degrading in real time”的评述，提出实时追踪电池衰减的重要性以及目前的发展状况。并提出在解决这一课题中，实现政府、学术与工业合作的重要性。

锂离子电池就如同一个黑盒子，研究者们可以在材料充电放电过程中或是经过一系列循环后打开它以检测材料的状态。但这就如同惊鸿一瞥般，对电池过程不能实现准确的分析。况且电池中电化学反应是十分迅速的，在空气中许多化学成分会迅速变质衰减。因此打开电池监控状况是不适用的。

经过多年的发展，对电池电极材料的研究方式也有着很大的突破。研制带有硅纳米线电池设备可以检测电荷的传输以及电池运行中硅纳米线结构的变化，从而反映电池状态。另外，将电极材料拓宽到金属氧化物、硫化物、氟化物及复合材料等，可利用X射线衍射、核磁共振、拉曼光谱及红外光谱等对材料的不同形式进行检测从而研究电池状态。

同时材料的电化学反应以及衰减机制也逐渐明朗，为了降低衰减速度，可以制备结构变形倾向小的电极材料或是预先就将锂离子植入在电极材料中。

而这些方式也都有着很大的缺陷，难以实现瞬时实时的特点，得出的结果往往不够精确，测试的条件与电池运行的状态也大为不同，甚至一些检测手段在测试过程中对材料本身就有着破坏作用。

现在，原位技术和纳米材料的快速发展正为电池研究注入新血液。原位X射线和拉曼技术逐渐发展成为新的无损检测技术，提高对电池运行状态的精确检测，而一系列基于纳米材料的电极材料可以提高电极材料的使用性能，推进商业化应用领域。

同时，实现不同单位的学术合作对课题的研究也十分重要，不同思想与技术的互融与贯通可以实现互补。而与工业的有效结合亦十分重要，工业领域的工程师可以帮助解决技术问题，这可以降低成本，跨越技术阻碍并加快商业化。而这也是未来的发展的需求与方向，可以加快技术的研发并推进新一代电池的研究。

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