牛津大学新突破：锂电池充电更快、寿命更长

本研究重点关注锂离子电池负极（阳极）中使用的聚合物粘合剂。这些粘合剂就像胶水一样将电极材料粘合在一起。尽管它们仅占电极总重量的5%以下，但对电极的机械强度、电导率和离子传导性，以及电池在反复充放电循环中的使用寿命都有重要影响。

由于粘合剂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位置。这限制了优化电池性能的努力，因为粘合剂的分布方式直接影响传导性、结构稳定性和长期耐用性。

**专利申请中的染色技术揭示隐藏结构**
为克服这一障碍，研究人员设计了一种正在申请专利的染色方法，将可追踪的银和溴标记附着在石墨基和硅基阳极中广泛使用的纤维素基和乳胶基粘合剂上。标记完成后，这些粘合剂能够被检测到，因为它们会发射特征X射线（通过能量色散X射线光谱法测量）或反射样品表面的高能电子（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位置和电极表面形态的详细图谱。这使科学家能够以前所未有的精度分析粘合剂的分布。

主要作者斯坦尼斯拉夫·赞科夫斯基博士（牛津大学材料系）表示：“这种染色技术为理解现代粘合剂在电极制造过程中的行为开辟了全新的工具箱。我们首次能够准确观察这些粘合剂的分布情况，不仅是整体分布（即它们在整个电极中的厚度），还包括局部的纳米级粘合剂层和团簇，并将其与阳极性能关联起来。”

该方法适用于标准石墨电极以及硅或氧化硅等先进材料，因此对当前的锂离子电池和下一代电池设计都具有重要意义。

**更快充电与更长电池寿命**
通过应用这种新的成像工具，研究团队发现，即使粘合剂分布发生细微变化，也会显著影响电池的充电效率和使用寿命。在测试中，调整浆料混合和干燥步骤使实验电极的内部离子电阻降低了高达40%——这是实现快速充电的主要障碍之一。

研究人员还捕捉到了包覆石墨颗粒的极薄羧甲基纤维素（CMC）粘合剂层的详细图像。该技术能够清晰检测到仅10纳米厚的CMC层，并在单张图像中可视化跨越四个数量级的结构。图像显示，最初均匀的CMC涂层在电极加工过程中可能会分解成不均匀的、 patchy 的碎片，这可能会削弱电池的性能和稳定性。

合著者帕特里克·格兰特教授（牛津大学材料系）说：“这项跨学科研究——涵盖化学、电子显微镜、电化学测试和建模——产生了一种创新的成像方法，将帮助我们理解影响电池寿命和性能的关键表面过程。这将推动广泛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，并已引起行业的极大兴趣，包括主要电池生产商和电动汽车制造商。