牛津大学的研究人员找到了一种方法，可以可视化锂离子电池内部最隐蔽但至关重要的组件之一。通过用可追踪标记标记聚合物粘合剂，他们揭示了这些微小材料在纳米尺度的分布情况，以及这种分布如何影响充电速度和耐用性。通过微小的制造调整，内部电阻降低了高达40%，为实现更快的充电速度提供了可能。这项技术有助于改进现有电池及下一代电池的设计。
该研究聚焦于锂离子电池负极中使用的聚合物粘结剂。这些粘结剂就像胶水一样将电极材料粘合在一起。尽管它们在电极总重量中占比不到5%，但却强烈影响着电池的机械强度、电学和离子电导率，以及在重复充放电循环中的持续工作能力。
由于粘结剂的含量极少且缺乏明显的视觉特征，科学家们一直难以准确确定它们在电极中的具体位置。这限制了对电池性能的微调工作，因为粘结剂的分布方式直接影响着导电性、结构稳定性和长期耐久性。
专利申请中的染色技术揭示隐藏结构
为了克服这一障碍，研究人员设计了一种正在申请专利的染色方法，该方法将可追踪的银和溴标记物附着在石墨基和硅基负极中广泛使用的纤维素基和乳胶基粘结剂上。标记后，这些粘结剂便可被检测到，因为它们会发射特征X射线（通过能量色散X射线光谱测量）或从样品表面反射高能电子（通过能量选择背散射电子成像测量）。
在电子显微镜下观察时，这些信号提供了特定元素所在位置以及电极表面形貌的详细图谱。这使得科学家能够比以前更精确地分析粘结剂的分布。
论文第一作者、牛津大学材料系的Stanislaw Zankowski博士说："这种染色技术为我们理解现代粘结剂在电极制造过程中的行为开辟了一个全新的工具箱。我们首次不仅能在整体上（即，在整个电极中的厚度分布）准确观察这些粘结剂的分布，还能在局部（如纳米级的粘结剂层和团簇）进行精确观察，并将其与负极性能关联起来。"
该方法不仅适用于标准的石墨电极，也适用于硅或氧化亚硅等先进材料，因此对当前的锂离子电池以及下一代设计都具有重要意义。
实现更快充电和更长电池寿命
通过应用这种新型成像工具，研究团队发现，即使是粘结剂分布的细微变化，也能显著改变电池的充电效率和寿命。在测试中，通过调整浆料混合和干燥步骤，实验电极的内部离子电阻降低了高达40%——而高离子电阻是实现快速充电的主要障碍。
研究人员还捕获了包覆在石墨颗粒上的羧甲基纤维素（CMC）粘结剂极薄层的高清图像。该技术能够清晰地检测到厚度仅为10纳米的CMC层，并在单张图像中可视化横跨四个数量级的结构。图像显示，原本均匀的CMC涂层在电极加工过程中可能会破裂成不均匀的、斑片状的碎片，这可能会削弱电池的性能和稳定性。
合著作者、牛津大学材料系的Patrick Grant教授说："这项跨越化学、电子显微镜、电化学测试和建模的多学科努力，催生了一种创新的成像方法，它将帮助我们理解影响电池寿命和性能的关键表面过程。这将推动各类电池应用领域的进步。"
这项工作得到了法拉第研究所Nextrode项目的支持，并已引起了包括主要电池生产商和电动汽车制造商在内的工业界的极大兴趣。