计算机视觉揭示了锂离子电池工作原理的前所未有的物理和化学细节

可充电锂离子电池电极中装有数十亿个微小颗粒，负责存储电荷并在工作需要时提供电荷。这一过程的 X 射线电影显示了电池充电和放电时颗粒吸收和释放锂离子的过程。

现在，研究人员向前迈出了重要的一步，他们使用一种称为“计算机视觉”的机器学习进行更深入的研究，分析这些 X 射线电影的每个像素，以发现电池循环的物理和化学细节，而这些细节是无法之前被看到。

来自能源部 SLAC 国家加速器实验室、斯坦福大学、麻省理工学院和丰田研究所今天在 《自然》杂志上发表了报道 。

斯坦福大学副教授 William Chueh 表示：“到目前为止，我们可以制作这些工作中的电池纳米粒子的美丽 X 射线电影，但这些电影信息量非常丰富，因此了解粒子如何发挥作用的微妙细节是一个真正的挑战。”教授、SLAC 教职科学家和 SLAC-斯坦福电池中心主任，他与麻省理工学院教授 Martin Bazant 共同领导了这项研究。

“现在我们可以提取以前不可能的见解，” Chueh 说。“这是我们的工业合作伙伴需要的基于科学的基础信息，以便更快地开发更好的电池。”

研究人员表示，更广泛地说，这种发现图像中复杂模式背后的物理原理的方法甚至可以为其他类型的化学和生物系统提供前所未有的见解，例如发育中胚胎中的细胞分裂。

透明电池泄露了它们的秘密

研究小组研究的电池颗粒由磷酸铁锂(LFP)制成。许多锂离子电池的正极中都装有数十亿个碳，每个电池都涂有一层薄薄的碳，以提高电极的导电性。

为了观察电池运行时内部发生的情况，Chueh 的团队制造了微型透明电池，其中两个电极被充满自由移动锂离子的电解质溶液包围。

当电池放电时，锂离子流入 LFP 正极并滞留在其纳米颗粒内，就像拥挤的停车场中的汽车一样，这种反应称为嵌入。当电池充电时，它们会再次流出并流向相反的负极。

丰田研究所能源与材料部高级主任 Brian Storey 表示：“磷酸铁锂是一种重要的电池材料，因为其成本低廉、安全记录良好且使用丰富的元素。”该研究所资助了 SLAC 和麻省理工学院的这项工作。 。“我们看到磷酸铁锂在电动汽车市场的使用有所增加，因此这项研究的时机再好不过了。”

Chueh 和 Bazant 八年前开始在电池研究方面进行合作。Bazant 已经对锂离子 进出 LFP 颗粒时形成的模式进行了大量数学建模 。Chueh 一直在劳伦斯伯克利国家实验室的先进光源中使用先进的 X 射线显微镜来制作纳米级电影，其细节小至十亿分之一米，电池颗粒的工作。

2016 年，他们的研究团队发布了突破性的 纳米级电影 ，展示了锂离子如何流入和流出单个 LFP 纳米颗粒。

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