電動汽車依賴于智能手機，筆記本電腦和幾乎所有電子產品中的鋰離子電池技術。

但該技術的改進速度極慢。雖然電動汽車不僅可以處理美國人平均每天的通勤時間，但是平均燃氣動力汽車仍然可以在滿罐油箱上走得更遠，充電站很少，充電電池所需的時間要比裝滿油箱要長得多。

為了提高鋰離子電池的充電容量并增加電動汽車的采用率，業界將不得不重新回到電池如何隨著時間的推移磨損的基礎科學。

多學院研究團隊已經開發出了鋰離子電池電極最全面的視圖，其中大多數損壞通常發生在反復充電。研究人員表示，制造商可以利用這些信息為您的智能手機或汽車設計更可靠，更持久的電池。

“知識的創造有時比解決電池電極損壞問題更有價值，”普渡大學機械工程助理教授趙克杰說。“以前，人們沒有技術或理論來理解這個問題。”

這項技術在期刊“ 先進能源材料”和“ 力學與物理學雜志”中得到了解釋，它本質上是一種由人工智能驅動的X射線工具。它可以使用機器學習算法自動掃描鋰離子電池電極中的數千個粒子 - 一直到構成粒子本身的原子。

當然，電池電極實際上有數百萬個顆粒。但研究人員現在可以比以前更徹底地分析它們 - 并且在我們在現實世界中使用商用電池的各種操作條件下，例如它們的電壓窗口以及它們充電的速度。

“大部分工作都集中在單個顆粒水平上，并使用該分析來了解整個電池。但是那里顯然存在差距;微米級的單個顆粒和更大規模的整個電池之間存在很大差異，”趙說，他的實驗室研究了電池的機械和電化學方面如何相互影響的基礎科學。

每次電池充電時，鋰離子在正電極和負電極之間來回傳播。這些離子與電極中的顆粒相互作用，導致它們隨著時間的推移而破裂和降解。電極損壞會降低電池的充電容量。

趙說，電池很難同時具有高容量和可靠性。增加電池容量通常意味著犧牲其可靠性。

研究人員在制定鋰離子電池損壞方面的工作始于他們發現電池顆粒的降解不會同時或在同一地點發生; 有些粒子比其他粒子更快失敗。

但要真正更詳細地研究這一點，團隊需要完全創造一種新技術; 現有方法不能完全捕獲電池電極的損壞。

研究人員轉向歐洲同步輻射裝置(ESRF)和SLAC國家實驗室斯坦福同步輻射光源(SSRL)的大型，長達數英里的同步加速器設施。這些設施容納以幾乎光速行進的粒子，發出用于產生稱為同步加速器X射線的圖像的輻射。

弗吉尼亞理工大學的研究人員制造了用于測試的材料和電池 - 從智能手機中的袋式電池到手表中的紐扣電池。ESRF和SSRL的研究人員創造了在一次掃描中盡可能多地掃描這些電池中的電極粒子的能力，然后生成這些X射線圖像用于分析。顆粒表面的顆粒破裂和降解圖譜稱為“界面剝離”，現在可以作為了解電池電極損傷程度的參考工具。

為了解這些裂縫如何影響電池性能，趙在普渡大學的團隊開發了理論和計算工具。例如，他們發現，由于鋰離子來回穿梭的地方(稱為“隔板”)比電極材料底部附近的顆粒更常用，因此它們更快失效。

電極顆粒損壞或“異質降解”的這種可變性在較厚的電極和快速充電條件下更嚴重。

“電池的容量并不取決于有多少顆粒在電池，重要的是如何使用鋰離子，”趙說。

該項目的目標不是每個研究人員和行業參與者都使用該技術本身 - 特別是考慮到美國只有少數幾個同步加速器 - 但這些團隊使用該技術產生的知識。研究人員計劃繼續使用該技術記錄損壞的發生情況并影響商用電池的性能。