[2017-07-11]一些电池是如何做到在延展时不出现破

当你在为一个电池充电、或者使用它的时候，流动的不仅是电流，还有电池内部的物质。电池内部的物质会随着电流的产生，从一个电极向另一个电极运动，这会让电极出现缩小或肿胀的现象。事实上，较为脆弱的电极材料为什么在如此循环的肿胀和收缩的张力的作用下，依然可以保持不会断裂，已经是一个长时间都找不到答案的谜团。

这个问题似乎终于得以被解答了。一个由MIT、南丹麦大学、莱斯大学和阿贡国家实验室研究人员共同组成的团队，已经得以确定这个秘密就藏在电极的分子结构中。当这些电极材料处于正常的晶态时，内部的原子呈规则、规律的排列；而当处于充放电过程中，电极结构会转化成非晶态，从而使材料能够适应体积层面上变化。MIT材料科学与工程教授蒋业明、包括向凯、邢文婷在内的八名研究生在学术刊物Nano Letters上发布的一篇文章表明，这项发现可能会对日后电池的结构设计产生影响，甚至会催生新的致动器。

科学家们可能已经发现了脆弱的电极在充放电情况下，受到循环的膨胀和收缩张力下却依然不会破碎的原因。

    理论上，当你对一个锂离子电池中心作为支点，沿两极方向进行延展时，蒋业明说，“它会像个秋千一样荡来荡去”，这个过程中电池会不断地进行充放电。电池中离子来回穿梭，期间会伴随着质量与体积的膨胀与收缩，这由电极材料决定。“从大约1%，一路延伸到能够伸展300%的硅材料都有。”蒋业明表示。

    该项研究也针对另一种电池进行了研究——钠离子电池。科学家们对有潜在可能成为电池正极（阴极）材料的一类物质进行了研究这类物质被称为磷化矿物质，特别是四磷化钠铁(NaFePO4)。他们发现可以这种物质的体积变化在很大的范围内进行微调——不仅对物质膨胀和收缩进行控制，同时还能控制这期间的力学过程。在一些成分中，扩张进行速度缓慢，但在另一些成分中却能实现突然地增长。

    “在这些矿物质系列中，”蒋业明说，“我们可以进行缓慢、阶梯级的反应，”这其中的范围横跨了从未能进行任何充电，到充入了非常高的电量。另外一方面，这个反应进程有时也会显得“相当的激烈，”就如四磷化钠铁在反应中所表现出的一样，它在化学反应中改变了整整17%的容量。

    “根据我们的了解，结构这样脆弱的化合物在这种情况下会发生破裂，并出现不超过1%的体积变化，”蒋业明表示，“那么这些材料在面对体积变化时的适应情况如何呢？我们的发现，在一定程度上来说，就像是水晶发生了形态变化，变成了无规则状的玻璃。”而不是保持原本紧密规则排列的结构。

    “我们认为此间的机理会广泛使用于类似的化合物，”他表示，同时提到该项发现可能代表着“发现了一种新的制作可能对电池有帮助的制作呆滞物料的方式。”一旦呆滞物质发生反应，其体积的变化会比较缓慢而不会很突然，于是“电池可能会更加长寿”，蒋业明如是说。

    蒋业明表示，该项发现能为那些想要发明一种长寿命、高性能电池的人们提供一种新的工具。这也可能使得体积变化反应被应用到实际情景中，比如机器人致动器或有注入药物功能的植入性设备中。

    该研究团队计划继续致力于该项研究当中，以寻找一种更简单的方法得以合成这种磷化换物质，以及进一步确定是否有更多的同族晶态化合物享有相同的相变特性。

    该项研究是一种“能够将电化学、机械学和电池电极晶态结构方面的信息联合到一起的、具有重大意义的发现，”斯坦福大学材料科学与工程专业助理教授William Chueh说，他并没有参与到该项研究当中。

    “锂电池中的电极材料在充电和放电时发生膨胀和收缩，并常在单个分子中出现不对称现象。如果该反应过程无法被承担，电极材料就会开裂，最后导致电池损坏。这就像将热水快速倒入一个冷的陶瓷杯中一样，”Chueh说。该项研究“重新定义了牵涉到材料从固态晶体结构转变为无定型结构而非开裂的大型体积变换这一应变消除机制。”

    他表示该项发现“可能会引领科学家们去再次研究那些曾经因为在充放电过程中产生大面积形变而被否决的潜在电池电极材料。同时也会引领工程师们制作出更精细的可预测模型，从而去设计新一代的电池。”

    该研究团队的其他成员包括来自南丹麦大学和MIT的Dorthe Ravnsbaek，MIT的李政，德克萨斯州莱斯大学的洪亮和唐明，以及来自阿贡国家实验室的Kamila Wiaderek、Olaf Borkiewicz、Karena Chapman和Peter Chupas。该项实验由美国国家能源部提供支持。

新闻来源：材料由麻省理工大学新闻办提供，原作者为David L. Chandler.

注意：为适应新闻篇幅，原文已被酌情修改。

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