盖世汽车讯 据外媒报道，或许无需拆解锂离子电池，就能监测其使用寿命。这一前景源于巴西圣保罗州坎皮纳斯州立大学（State University of Campinas，UNICAMP）的研究人员及其合作者于5月在期刊《Cell Reports Physical Science》上发表的一项研究。科学家们建立了一个先进的计算模型来研究这些储能装置，发现电压的自然波动就像是系统的“X光”，能够揭示电池材料的微观结构以及内部发生的化学反应速率。这一发现为实现快速、低成本的储能系统诊断铺平了道路。

图片来源：UNICAMP

锂离子电池广泛应用于各类设备，从手机、笔记本电脑、相机和便携式工具等小型电子产品，到电动汽车，应有尽有。在更大规模的应用中，它们还被用于固定式储能系统，例如存储太阳能和风能等间歇性电源所产生的电能，从而有助于平衡电网的供需。

这项研究由UNICAMP化学研究所（IQ）教授Raphael Nagao主持协调。论文第一作者是纳加奥指导的博士生Eduardo Parma。

“这些振荡现象揭示了电极纳米结构的特征，以及锂离子在两个电极间移动的速率。这种关联性可作为开发简单且低成本方法的基础，用于监测电池的老化与健康状况，”Parma说道。纳加奥补充道：“我们的目标是利用这种自发行为，获取那些通常极难获取的信息。”

研究人员强调，这种振荡行为存在于许多自然系统中。例如，心跳对应着电压的周期性变化，这种变化可通过心电图记录下来。这一现象最早于2018年在电池中被观察到，但此前一直无人能解释其发生机制。Nagao说道：“Eduardo将这种振荡行为转化为了数学方程。通过求解这些方程，他在模拟中成功复现了实验观察到的行为。”

电极内部发生了什么

要理解这一过程，关键在于认识到电极并非人们通常想象的那种实心块体，而是一种高度复杂的多孔结构。“我们可以将其想象成一种由数十亿个微小固体颗粒构成的泡沫，颗粒之间由充满液态电解质的孔隙隔开。这些颗粒即为电池的活性物质，而电解质则构成了一个传输网络，锂离子通过该网络移动，直至抵达各个颗粒的表面，”Parma解释道。

离子通过一种称为“嵌入”（intercalation）的过程进入颗粒，并占据结构内部的可用位置。理解这种振荡行为的关键在于：电荷并非均匀分布在所有颗粒上，而是每次仅与其中一部分颗粒发生相互作用。这些颗粒群几乎同时从低荷电状态转变为高荷电状态。每一次转变都会导致电池电压出现一个峰值。这些连续发生的转变便产生了实验中所观察到的振荡行为。

Parma解释道：“典型的电极包含约100亿个颗粒。在每一次振荡过程中，大约1%的颗粒（即约1亿个）几乎同时从低荷电状态转变为高荷电状态，从而产生了实验中观测到的微小电压尖峰。”

这项研究聚焦于由钛酸锂（Li₄Ti₅O₁₂，简称LTO）制成的电极；该材料以结构稳定性高著称，被视为高电流应用场景下的理想选择。模拟结果显示，这些颗粒并非同时发生锂离子的嵌入过程，而是以“组”为单位进行转变——即各组颗粒几乎同时从低锂化状态转变为高锂化状态，进而引发了电压振荡。

为了模拟这一机制，研究人员采用了一种被称为“相场建模”的技术。与基于伪二维（P2D）近似、仅对每个颗粒进行简化表征的传统模型不同，这种新方法利用多维计算网格，直接求解描述颗粒内部锂浓度演变的方程。据研究人员介绍，该方法克服了以往模型的重大局限性，并能准确再现导致实验中所观测到的振荡现象的物理机制。

电压中蕴含的信息

这项工作的主要贡献在于证明了振荡特性包含有关电池基本属性的定量信息。

例如，模拟结果显示，电极颗粒的尺寸分布直接影响振荡周期。反之，这意味着通过分析振荡周期，可以获取有关材料微观结构的信息。

研究人员还发现，振荡的周期与振幅，与嵌入反应过程中锂离子进出电极颗粒的速率之间存在关联。这一速率被称为“嵌入电流密度”，是表征电化学反应动力学的关键参数。据研究人员介绍，未来或许只需分析电池的电压振荡，便可估算出这一参数。

Nagao强调道：“目前，许多此类性质只能通过复杂的实验技术来测定，其中一些技术甚至依赖于同步加速器光源等大型科学设施。而我们的模型表明，仅通过分析电池自身的电压振荡，就能获取部分此类信息。”

无需拆解电池即可进行诊断

研究人员指出，这一设想虽有待实验验证，但前景广阔。如果模型预测的关系得到证实，只需精确测量电池运行期间微小的电学振荡，便足以评估电极的内部特性，并监测其在充放电循环过程中的性能衰减。这将有望实现一种低成本的电池健康状况评估方法，无需拆解电池或采用复杂的表征技术。

这项研究不仅解释了一种自发现以来一直未被充分理解的现象，还为电化学材料的研究提供了一种新工具。通过将微小的电压振荡转化为反映电极内部结构与动力学特征的定量指标，该模型为开发更高效、更耐用且更可靠的电池开辟了新的可能。