作者：EuropeanSynchrotronRadiationFacility

一個國際研究小組近期在《先進能源材料》雜志上發表了關于電池失效過程中所發生的最廣泛的研究，同時關注研究了電池的不同部分。其中歐洲同步加速器ESRF的作用對它的成功至關重要。

我們都經歷過：你給手機充電了，用了一段時間后，電池電量異常迅速地下降。消費類電子產品似乎以不均勻的速度斷電，這是由于電池的異質性。當手機充電時，頂層先充電，底層后充電。手機可能會顯示它已經充電完成，此時頂部表面水平完成充電，但底部將是欠充電。但如果使用底層作為指紋，頂層將被過度充電，并且會出現安全問題。

事實上，電池是由許多不同的部件組成的，它們的工作方式不同。固體聚合物有助于顆粒結合，碳添加劑提供電連接，然后由活性電池顆粒儲存和釋放能量。

來自ESRF、SLAC、弗吉尼亞理工大學和普渡大學的一個國際科學家團隊希望了解并定量定義導致鋰離子電池失效的原因。在此之前，研究要么在失效期間放大單個區域，要么放大陰極中的粒子，要么縮小觀察電池層的行為，而不提供足夠的微觀細節。現在，這項研究提供了第一個具有前所未有的微觀結構細節的全局視圖，以補充電池文獻中現有的研究。

如果你有一個完美的電極，每一個粒子都應該以同樣的方式運動。然而，電極是非常不均勻的，含有數以百萬計的微粒。沒有辦法確保每個粒子同時以相同的方式運行。

為了克服這一挑戰，研究小組嚴重依賴同步加速器X射線方法，并使用兩個同步加速器設施來研究電池中的電極：ESRF、法國格勒諾布爾的歐洲同步加速器和美國斯坦福的SLAC國家加速器實驗室。“ESRF使我們能夠以更高的分辨率研究更多的電池粒子，”弗吉尼亞理工大學的助理教授馮林（音譯）說。在SLAC進行的補充實驗，特別是納米分辨率X射線光譜顯微鏡。

硬X射線相位對比納米斷層掃描顯示，在整個電極厚度上，每個粒子的分辨率都非常高。這使我們能夠在使用電池后跟蹤每個電池的損壞程度。論文中大約一半的數據來自ESRF，”ESRF的科學家、論文的第一作者楊揚（音譯）解釋說。

“在實驗之前，我們不知道我們可以同時研究這些粒子。成像單個活性電池粒子一直是這個領域的焦點。為了制造更好的電池，你需要最大限度地發揮每個粒子的作用，”SLAC的科學家劉一金說。

弗吉尼亞理工實驗室制造了這些材料和電池，然后在ESRF和SLAC上測試它們的充電和退化行為。趙克杰（音譯），普渡大學的助理教授，領導了這個項目的計算建模工作。

本次論文的研究結果為電池中的微粒利用和褪色提供了一種診斷方法。這可以改善工業界如何設計快速充電電池的電極，”楊總結道。