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[2017-07-11]一些電池是如何做到在延展時不出現(xiàn)破
當(dāng)你在為一個電池充電、或者使用它的時候，流動的不僅是電流，還有電池內(nèi)部的物質(zhì)。電池內(nèi)部的物質(zhì)會隨著電流的產(chǎn)生，從一個電極向另一個電極運(yùn)動，這會讓電極出現(xiàn)縮小或腫脹的現(xiàn)象。事實上，較為脆弱的電極材料為什么在如此循環(huán)的腫脹和收縮的張力的作用下，依然可以保持不會斷裂，已經(jīng)是一個長時間都找不到答案的謎團(tuán)。
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這個問題似乎終于得以被解答了。一個由MIT、南丹麥大學(xué)、萊斯大學(xué)和阿貢國家實驗室研究人員共同組成的團(tuán)隊，已經(jīng)得以確定這個秘密就藏在電極的分子結(jié)構(gòu)中。當(dāng)這些電極材料處于正常的晶態(tài)時，內(nèi)部的原子呈規(guī)則、規(guī)律的排列；而當(dāng)處于充放電過程中，電極結(jié)構(gòu)會轉(zhuǎn)化成非晶態(tài)，從而使材料能夠適應(yīng)體積層面上變化。MIT材料科學(xué)與工程教授蔣業(yè)明、包括向凱、邢文婷在內(nèi)的八名研究生在學(xué)術(shù)刊物Nano Letters上發(fā)布的一篇文章表明，這項發(fā)現(xiàn)可能會對日后電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計產(chǎn)生影響，甚至?xí)呱碌闹聞悠鳌?/p>
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科學(xué)家們可能已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了脆弱的電極在充放電情況下，受到循環(huán)的膨脹和收縮張力下卻依然不會破碎的原因。
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? ? 理論上，當(dāng)你對一個鋰離子電池中心作為支點(diǎn)，沿兩極方向進(jìn)行延展時，蔣業(yè)明說，“它會像個秋千一樣蕩來蕩去”，這個過程中電池會不斷地進(jìn)行充放電。電池中離子來回穿梭，期間會伴隨著質(zhì)量與體積的膨脹與收縮，這由電極材料決定。“從大約1%，一路延伸到能夠伸展300%的硅材料都有?！笔Y業(yè)明表示。
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? ? 該項研究也針對另一種電池進(jìn)行了研究——鈉離子電池?？茖W(xué)家們對有潛在可能成為電池正極（陰極）材料的一類物質(zhì)進(jìn)行了研究這類物質(zhì)被稱為磷化礦物質(zhì)，特別是四磷化鈉鐵(NaFePO4)。他們發(fā)現(xiàn)可以這種物質(zhì)的體積變化在很大的范圍內(nèi)進(jìn)行微調(diào)——不僅對物質(zhì)膨脹和收縮進(jìn)行控制，同時還能控制這期間的力學(xué)過程。在一些成分中，擴(kuò)張進(jìn)行速度緩慢，但在另一些成分中卻能實現(xiàn)突然地增長。
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? ? “在這些礦物質(zhì)系列中，”蔣業(yè)明說，“我們可以進(jìn)行緩慢、階梯級的反應(yīng)，”這其中的范圍橫跨了從未能進(jìn)行任何充電，到充入了非常高的電量。另外一方面，這個反應(yīng)進(jìn)程有時也會顯得“相當(dāng)?shù)募ち?，”就如四磷化鈉鐵在反應(yīng)中所表現(xiàn)出的一樣，它在化學(xué)反應(yīng)中改變了整整17%的容量。
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? ? “根據(jù)我們的了解，結(jié)構(gòu)這樣脆弱的化合物在這種情況下會發(fā)生破裂，并出現(xiàn)不超過1%的體積變化，”蔣業(yè)明表示，“那么這些材料在面對體積變化時的適應(yīng)情況如何呢？我們的發(fā)現(xiàn)，在一定程度上來說，就像是水晶發(fā)生了形態(tài)變化，變成了無規(guī)則狀的玻璃?！倍皇潜３衷揪o密規(guī)則排列的結(jié)構(gòu)。
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? ? “我們認(rèn)為此間的機(jī)理會廣泛使用于類似的化合物，”他表示，同時提到該項發(fā)現(xiàn)可能代表著“發(fā)現(xiàn)了一種新的制作可能對電池有幫助的制作呆滯物料的方式?！币坏┐魷镔|(zhì)發(fā)生反應(yīng)，其體積的變化會比較緩慢而不會很突然，于是“電池可能會更加長壽”，蔣業(yè)明如是說。
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? ? 蔣業(yè)明表示，該項發(fā)現(xiàn)能為那些想要發(fā)明一種長壽命、高性能電池的人們提供一種新的工具。這也可能使得體積變化反應(yīng)被應(yīng)用到實際情景中，比如機(jī)器人致動器或有注入藥物功能的植入性設(shè)備中。
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? ? 該研究團(tuán)隊計劃繼續(xù)致力于該項研究當(dāng)中，以尋找一種更簡單的方法得以合成這種磷化換物質(zhì)，以及進(jìn)一步確定是否有更多的同族晶態(tài)化合物享有相同的相變特性。
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? ? 該項研究是一種“能夠?qū)㈦娀瘜W(xué)、機(jī)械學(xué)和電池電極晶態(tài)結(jié)構(gòu)方面的信息聯(lián)合到一起的、具有重大意義的發(fā)現(xiàn)，”斯坦福大學(xué)材料科學(xué)與工程專業(yè)助理教授William Chueh說，他并沒有參與到該項研究當(dāng)中。
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? ? “鋰電池中的電極材料在充電和放電時發(fā)生膨脹和收縮，并常在單個分子中出現(xiàn)不對稱現(xiàn)象。如果該反應(yīng)過程無法被承擔(dān)，電極材料就會開裂，最后導(dǎo)致電池?fù)p壞。這就像將熱水快速倒入一個冷的陶瓷杯中一樣，”Chueh說。該項研究“重新定義了牽涉到材料從固態(tài)晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)闊o定型結(jié)構(gòu)而非開裂的大型體積變換這一應(yīng)變消除機(jī)制。”
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? ? 他表示該項發(fā)現(xiàn)“可能會引領(lǐng)科學(xué)家們?nèi)ピ俅窝芯磕切┰?jīng)因為在充放電過程中產(chǎn)生大面積形變而被否決的潛在電池電極材料。同時也會引領(lǐng)工程師們制作出更精細(xì)的可預(yù)測模型，從而去設(shè)計新一代的電池。”
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? ? 該研究團(tuán)隊的其他成員包括來自南丹麥大學(xué)和MIT的Dorthe Ravnsbaek，MIT的李政，德克薩斯州萊斯大學(xué)的洪亮和唐明，以及來自阿貢國家實驗室的Kamila Wiaderek、Olaf Borkiewicz、Karena Chapman和Peter Chupas。該項實驗由美國國家能源部提供支持。
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新聞來源：材料由麻省理工大學(xué)新聞辦提供，原作者為David L. Chandler.
注意：為適應(yīng)新聞篇幅，原文已被酌情修改。
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