密歇根大学的一项研究表明，锂离子电池正极的裂缝不仅有害，而且会缩短电池充电时间。
这与许多电动汽车制造商的观点背道而驰，他们试图尽量减少开裂，因为这会降低电池的寿命。
“许多公司都对使用不会破裂的颗粒制造‘百万英里’电池感兴趣。不幸的是，如果这些裂缝被消除，电池颗粒将无法在没有这些裂缝的额外表面积的情况下快速充电，”材料科学与工程助理教授、发表在《能源与环境科学》杂志上的该研究的通讯作者李一阳说。
“在公路旅行中，我们不想等5个小时才给车充电。我们希望在15到30分钟内充电。”
研究小组认为，这些发现适用于一半以上的电动汽车电池，其中的正极或阴极由数万亿个由锂镍锰钴氧化物或锂镍钴氧化铝制成的微观颗粒组成。理论上，阴极电荷的速度取决于粒子的表面体积比。较小的粒子应该比较大的粒子充电更快，因为它们的表面积相对于体积而言更高，因此锂离子在其中扩散的距离更短。
然而，传统的方法不能直接测量单个阴极粒子的充电特性，只能测量构成电池阴极的所有粒子的平均值。这一限制意味着被广泛接受的充电速度和阴极颗粒大小之间的关系仅仅是一个假设。
“我们发现阴极颗粒有裂纹，并且有更多的活性表面来吸收锂离子——不仅在它们的外表面，而且在颗粒裂纹内部，”在李的实验室工作的材料科学与工程博士生闵金红说。“电池科学家知道会发生裂缝，但还没有测量过这种裂缝如何影响充电速度。”
测量单个阴极粒子的充电速度是发现分解阴极的好处的关键，李和闵通过将粒子插入神经科学家通常用于研究单个脑细胞如何传输电信号的设备中来完成。
“当我还在研究生院的时候，一位研究神经科学的同事向我展示了他们用来研究单个神经元的这些阵列。我想知道我们是否也可以用它们来研究电池颗粒，它们的大小与神经元相似，”李说。
每个阵列都是定制设计的2 × 2厘米芯片，最多可容纳100个微电极。在将一些阴极粒子分散到芯片中心后，Min用一根比人类头发细70倍的针将单个粒子移动到阵列上自己的电极上。一旦粒子就位，Min可以在阵列上同时充电和放电多达四个单独的粒子，并在这项特殊的研究中测量了21个粒子。
实验表明，阴极粒子的充电速度并不取决于它们的大小。Li和Min认为，对于这种意想不到的行为，最可能的解释是，大颗粒在破裂时实际上表现得像一群小颗粒。另一种可能是锂离子在晶界(由阴极粒子组成的纳米级晶体之间的微小空间)中移动得非常快。李认为这是不可能的，除非电池的电解质——锂离子运动的液体介质——穿透这些边界，形成裂缝。
在设计不破裂的单晶颗粒长寿命电池时，考虑裂纹材料的好处是很重要的。为了快速充电，这些粒子可能需要比现在的开裂阴极粒子更小。李说，另一种选择是用不同的材料制造单晶阴极，这种材料可以更快地移动锂，但这些材料可能受到必要金属供应或能量密度较低的限制。
该装置是在Lurie纳米制造工厂制造的，并在密歇根材料表征中心进行了研究。
这项研究是由LG能源解决方案、电池创新大赛和密歇根大学工程学院资助的。