地球上因重力而產(chǎn)生的加速度約為9.8m/s2，但如果你想制造一枚能擺脫地球拉力的火箭，你必須做得比這更好。你需要把風阻、熱量和其他因素考慮進去。在現(xiàn)實世界中，力的作用是相互影響的，有時你無法理解如何影響，直到你觀看火箭的運動。

圣路易斯華盛頓大學麥凱爾維工程學院能源、環(huán)境與化學工程系助理教授白鵬實驗室的新研究也回應了這一概念。

通過觀察電荷在鋰離子電池電極上逐粒移動，并通過圖像分析計算出任何給定點的真實電流密度，Bai已經(jīng)能夠確定需要做什么來構(gòu)建一個更安全的電池，而這與單個粒子的能力無關(guān)。

相反，粒子需要分擔負擔。

Bai說，我們需要促進更多的粒子參與整個電極的反應，那么我們就可以降低實際的局部電流密度，避免產(chǎn)生危險的熱點。

該研究于2021年2月12日在線發(fā)表在《先進能源材料》雜志上。

Bai和Bai實驗室的博士生ShubhamAgrawal使用石墨作為模型系統(tǒng)來研究鋰離子電池電極中的電荷移動。石墨是商用鋰離子電池的標準負極材料。在電池充電過程中，鋰離子可以擴散到石墨晶體結(jié)構(gòu)中的空位，并誘導出所謂的固態(tài)相變。因此，誘導出的石墨新相，即鋰化石墨，隨著容納越來越多的鋰離子，顏色會從深灰色，到藍色，再到紅色，最終變成金色。

這種特殊的光學特性使得Bai和Agrawal可以直接確定鋰離子在電極中的分布。利用進一步的圖像分析，他們可以確定電荷的移動情況。Agrawal說：當我們開始給電極充電時，我們只看到少數(shù)區(qū)域改變了顏色，但非常大的區(qū)域仍然是灰色的。

在分析了電極在充電過程中的數(shù)千張圖像后，他們能夠確定變色區(qū)域的真實電流密度（單位時間內(nèi)某一區(qū)域上累積電荷的量度），灰色區(qū)域的電流密度為零。

之前也有類似的現(xiàn)象報道，但只有當動態(tài)可以用數(shù)學模型解釋時，我們才能稱其為高保真真相。在這項工作中，Bai開發(fā)了一個新的數(shù)學模型，可以精確地將觀察到的電荷運動與測量的電流密度相關(guān)聯(lián)。局部電流密度至少比表觀電流密度高兩個數(shù)量級，Bai說他把電流密度較高的地方稱為熱點。

表觀電流密度是整個電極區(qū)域內(nèi)總電流的平均值，包括非活性灰色區(qū)域，這是目前電池設(shè)計中使用的量。但現(xiàn)在變得很明顯，真正重要的是局部電流密度。局部熱點會影響電池的功能做任何事情，從降低其效率到導致電池故障，使其具有潛在的危險性。

Agrawal說：基于同步輻射X射線的方法通常用于這種類型的表征，但我們在這里證明，經(jīng)濟的臺式光學顯微鏡可以提供非常有用的補充信息。這種方法幫助Agrawal為他的每個金屬電池獲得了數(shù)萬張圖像。這些結(jié)果確保了對數(shù)學模型及其所能產(chǎn)生的物理見解的全面驗證。

實驗電池通常是專門設(shè)計的，其結(jié)構(gòu)和工作條件可能與商用電池有很大不同。這就是為什么我們必須使用數(shù)學模型來考慮所有的差異，并將理解轉(zhuǎn)化為適合實際應用的指導。

當你真正檢查局部電流密度時，你會意識到它是由相變控制的，在兩個層面上，它決定了有多少粒子參與反應，以及一種顏色掃過單個粒子的速度。Bai進一步解釋道，重要的部分是，現(xiàn)在他們了解了電池內(nèi)部實際發(fā)生的情況，以及是什么過程在驅(qū)動它。你不能用非常成熟的、經(jīng)典的理想平面電極的電化學理論來理解厚多孔電極的電化學工程問題。