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手机电池越来越不耐用?原来是“锂电池”的锅!

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被称为离子的颗粒实际上在电解质中来回循环和流动。这会在电池内部产生随机密集的离子,从而产生大量热量,损坏电池的使用寿命。

出品|网易科学人栏目组 马克克

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手机电池越来越不耐用?原来是“锂电池”的锅!

为什么新手机的电池能用很长时间,但在一年后就只能用几个小时了?来自《路透社》的报道称,最新研究揭示了锂离子电池如何降解并为更持久的电池铺平道路。

科学家终于揭开了为什么智能手机电池在使用一年左右之后会出现电池寿命迅速衰减的秘密。根据最新调查结果,人们普遍理解的锂离子电池工作原理是不正确的。它们不是带电粒子在电池内部以单一,均匀的方向流动,而是以随机的运动模式来回移动。根据研究人员的说法,这些最新研究成果可用于制造新型电池,使电池持续更长时间并保持电量而不会损坏电池的使用寿命。科学家表示,这可能可以促进于电动汽车的大规模推广,以及改善全球数十亿依靠电池运转的小工具的使用寿命。

这项突破性的研究来自斯坦福大学,麻省理工学院和巴斯大学的研究人员,他们发现我们对锂离子电池(这种类型为我们最喜爱的手机、电脑以及其他小电器提供动力)的理解是不正确的。已知带电粒子通过材料(电解质)在正电极和负电极之间流动,并且该运动产生电荷。然而,之前认为锂是各向异性的,这意味着它在单一方向上流动,颗粒以单一、均匀的方式通过电池。然而,现在已经发现,现实是非常不同的,并且被称为离子的颗粒实际上在电解质中来回循环和流动。这会在电池内部产生随机密集的离子,从而产生大量热量,损坏电池的使用寿命。

手机电池越来越不耐用?原来是“锂电池”的锅!

结果,电池失去了保持电量的能力,我们经常发现自己更经常地依赖便携式充电宝。

斯坦福大学助理教授William Chueh说:'我们使用了来自加速器的非常强大的X射线,我们正在使用这些X射线来观察这些单独的纳米颗粒。“我们最初的期望是锂只在某些方向上移动。 我们实际看到锂的走向是不符合我们原先理解的方向。该研究利用斯坦福大学SLAC国家加速器实验室的设施,让科学家团队在纳米尺度上研究电池的工作细节。Chueh博士详细阐述了这一现象,并解释说以前的理论没有说明液体如何与固体相互作用。他说:“有点像太空,我们考虑粒子在真空中的表现,但电池内部不是真空的,它充满了液体。”该团队相信他们将能够通过改变运输路径来解决这个缺陷,并在未来开发出更耐用的电池。

那么问题来了,锂离子电池究竟如何工作?

实际上,锂离子电池通过将电子从电池的一端“移动到另一端”来存储和释放能量。我们可以利用来自那些移动电子的能量来为我们工作,比如为钻机提供动力一样。

电池的这两个“端”称为电极。 一个称为阳极,另一个称为阴极。通常,阳极由碳制成,阴极由称为金属氧化物的化合物制成,如氧化钴。

最终的电池成分称为电解质,它位于两个电极之间。在锂离子电池的情况下,电解质是含有锂离子的盐溶液。锂电池也因此得名。将电池放入设备时,带正电的锂离子会被吸引并向阴极移动。一旦阴极被这些离子轰击,阴极就会比阳极充电更多,这会吸引带负电的电子。随着电子开始向阴极移动,我们迫使它们穿过我们的器件并利用电子流向阴极的能量来产生电能。你可以把它想象成水轮,除了在这里不是水流动,而是电子流动。

锂离子电池特别有用,因为它们是可充电的。当电池连接到充电器时,锂离子以与以前相反的方向移动。当它们从阴极移动到阳极时,电池恢复供另一次使用。与其他电池相比,锂离子电池每单位重量也可以产生更多的电力。这意味着锂离子电池可以存储与其他电池相同的功率,但可以在更轻更小的体积中实现。

具体我们是如何为电池充电的呢?

简单来讲,电池由三个部件组成:正电极,负电极和电解质。当电池正在充电时,锂离子从正电极中提取并通过晶体结构和电解质移动到负电极,在那里它们被存储下来。此过程发生得越快,电池充电的速度就越快。制造电池的材料会严重限制该速率。石墨是负极的常用材料,因为它能很好地接受正离子并具有高能量密度。在寻找新的电极材料时,研究人员通常会尝试使颗粒变小。然而,制造具有纳米颗粒的实用电池是困难的,因为它与电解质产生许多棘手的化学反应,因此电池不会持续那么长,而且制造成本昂贵。

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