一些电池材料如何膨胀而不开裂

答案可能终于找到了。麻省理工学院，南丹麦大学，莱斯大学和阿贡国家实验室的一组研究人员确定，秘密在于电极的分子结构。虽然电极材料通常是结晶的，其所有原子整齐排列成规则的重复阵列，但当它们经历充电或放电过程时，它们会转变成无序的玻璃状相，可以适应尺寸变化的应变。。

新的研究结果可能会影响未来的电池设计，甚至会产生新型的执行器，在纳米快报杂志上发表在麻省理工学院材料科学与工程教授蒋明明，研究生凯翔和文兴星的论文中。和其他八个人。

从理论上讲，如果你要在一个支点上拉伸一个锂离子电池，每侧都有一个电极，蒋说，“当它充电和放电时，它会像跷跷板一样上下移动”。随着离子来回穿梭的质量变化也伴随着膨胀或收缩，这种膨胀或收缩可以根据材料而变化，“从1%左右，一直到硅，可以扩大300%，”他说。

这项研究涉及一种不同类型的电池，称为钠离子电池。科学家研究了一类被称为潜在电池阴极(正电极)的特殊材料，称为磷酸-橄榄石，特别是钠-铁-磷酸盐(NaFePO4)。他们发现，可以在很宽的范围内微调音量变化-不仅可以改变材料的膨胀和收缩程度，还可以改变材料膨胀和收缩的动态。对于某些组合物，扩展非常缓慢且渐进，但对于其他组合物，它可能会突然增加。

“在这个橄榄石家族中，”蒋说，“我们可以进行这种缓慢的逐步变化，”从几乎零电荷到非常高的功率范围。或者，这种变化可能是“非常激烈的”，就像NaFePO4的情况一样，它会迅速改变其体积约17%。

“我们知道像这样的脆性化合物通常会在体积变化不到1%时发生断裂，”蒋说。“那么这种材料如何适应如此大的体积变化?从某种意义上说，我们发现晶体放弃并形成无序玻璃”而不是保持其精确有序的晶格。

“我们认为这种机制可能更广泛地应用于其他此类化合物，”他说，并补充说，这一发现可能代表“一种创造可能对电池有用的玻璃材料的新方法”。一旦玻璃组合物发生变化，其体积变化就会逐渐变化而不是突然变化，因此“它可能会更长寿”，蒋说。

他说，这些研究结果可为那些试图开发更长寿命，更高容量电池的人提供一种新的设计工具。它还可能导致可能的应用，其中可以使用体积变化，例如作为机器人致动器或用于从可植入装置输送药物的泵。

该团队计划继续研究合成这些橄榄石化合物的更简单方法，并确定是否有更广泛的晶体材料系列共享这种相变特性。

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