极冷如何使锂离子电池材料破裂并降低性能

锂离子电池因其在寒冷天气中的不良性能而有点出名，这对其一些最重要的应用产生了影响——从在威斯康星州的冬天启动电动汽车到在火星上飞行无人机。

现在，美国能源部 SLAC 国家加速器实验室的研究人员发现了该问题的一个被忽视的方面：在低于冰点的温度下储存锂离子电池会使电池的某些部分破裂并将它们与周围材料分离，从而降低其蓄电容量.

SLAC 科学家刘一进和博士后李继洲在观察阴极的寒冷天气性能时发现了这一发现，即电池在使用时流入的部分电子。最初的研究发现，在低于零摄氏度的温度下储存阴极会导致电池在充电 100 次后比储存在较高温度下的电池多损失 5% 的容量。

为了理解其中的原因，研究人员转向了 SLAC 斯坦福同步辐射光源的 X 射线分析方法和李在过去几年中一直在研究的机器学习技术的组合。这种组合使他们能够识别单个阴极粒子——这意味着该团队可以一次研究数千个粒子，而他们只能用眼睛识别出少数粒子。

刘说，这些方法共同表明，低温正在使阴极内的肉丸状颗粒收缩，并在此过程中使它们破裂——或者使现有的裂缝更加严重。而且，由于材料在响应温度变化时膨胀和收缩的方式不同，极端寒冷也会使阴极与周围材料分离。

刘说，结果指出了一些可能的修复方法。通过寻找在温度响应方面更匹配的电池材料，科学家们可以解决分离问题。这样做也有助于改善其他电池，因为所有电池在加热和冷却时都会膨胀和收缩。通过在电池内部设计不同的粒子结构——特别是，用更光滑、不太像肉丸的粒子构建它们——研究人员可以帮助防止开裂并提高锂离子电池的长期容量。

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