锂离子电池充电太快将永久性的降低电池容量。部分能量存储结构也随之被破坏和失活。这些结构变化第一次被可视化。荧光研究表明即使在很少次数的充电循环之后，电池材料内部结构也损伤明显，这种损伤在慢速充电过程中要更长时间才会出现。

 

25次快速充电之后，电极中的锰分布显示出大孔洞。图片来源：Ulrike Bosenbery/DESY

锂离子电池充电太快将永久性的降低电池容量。部分能量存储结构也随之被破坏和失活。这些结构变化首次由DESY研究人员Ulrike Bosenbery博士联合其在DESY的 X射线源PETRA III团队实现可视化。荧光研究表明即使在很少次数的充电循环之后，电池材料内部结构也损伤明显，这种损伤在慢速充电过程中要更长时间才会出现。该研究结果将发表于最新一期的《化学材料》（Chemistry of Materials）学术期刊上。

锂离子电池很常见，因为其具有高电荷密度。通常在一千次充放电以后，存储容量会大大减少。这种能量存储系统，特别是4.7伏的高电压，新一代的选择就是所谓的锂-镍-锰-氧（LNMO）尖晶石材料。该电极由与粘合剂材料和导电碳连接形成薄层的微型晶体（也被称为微晶）组成。

Bosenberg团队，其中还包括了来自吉森大学（University of Giessen）、汉堡大学（University of Hamburg）和澳大利亚国家科学机构CSIRO的研究人员，在PETRA III的X射线微聚焦光束P06上研究了这种LiNi0.5Mn1.5O4的负极材料。他们通过一种新型X射线荧光检测器，可以在半微米（一米的一百万分之一）精度上确定电极上大面积镍和锰的精确分布。电池电极活性材料的分子结构由镍（Ni）、锰（Mn）和氧（O）组成，它们的结构是一个相对刚性的晶格，其中作为移动电荷载体的锂离子可插入或抽出。

本研究中，研究人员研究了以三个不同速率进行1至25次充放电的所有电池电极，并测量了电极成分的元素分布。科学家们可以表明快速充电过程中，锰和镍原子从晶体结构中被移除。研究中，研究人员在电极上发现直径为100微米（0.1毫米）大的孔一样的缺陷。被破坏的区域不能再用于储锂。

研究中，研究人员使用X射线荧光方法，利用X射线激发化学元素荧光的特性。荧光辐射的波长或者能量时每个化学元素的特征指纹。利用这种方法，可以精确确定电极中个别材料的分布。该研究中，研究人员使用新型荧光探测器，这种新型探测器目前全球仅有两台。由CSIRO和美国布鲁克海文国家实验室（Brookhaven National Laboratory in the US）联合开发的Maia探测器包含有将近400种元素（由样品的荧光辐射收集而来）。由于探测器的高能量分辨率和灵敏度，可同时探测集中化学元素。

PETRA III狭窄且又高密度的X射线束能以半微米的分辨率准确的扫描样品表面（大约2x2平方毫米）。扫描每个点只需要千分之一秒。“这是首次能以如此高的空间分辨率在如此大面积上展示这种不均匀性。”Bosenberg说，“我们希望更好的了解影响和创造提高储能装置的基础。”

仍然令人费解的是镍和锰原子的溶解在什么地方结束——这是研究人员下一步研究想要解决的问题。“有迹象表明溶解的材料沉积在阳极上，至少部分是这样，这导致电池性能的双重损伤。”Bosenberg总结说。

新材料在线编译整理——翻译：菠菜    校正：摩天轮