突破性技術！即時觀測鋰電池老化過程

採用鎳錳鈷氧化物(NMC)電極的鋰鈕扣電池雖然效能強大，但隨著使用時間增加，其容量會逐漸衰減。現在，研究團隊首度運用非破壞性方法，成功在充放電過程中即時觀察鈕扣電池各層元素的變化情形。

這項發表於《Small》期刊的研究，由德國聯邦物理技術研究院(PTB)、明斯特大學、HZB的SyncLab研究團隊，以及柏林工業大學BLiX實驗室共同合作完成。實驗主要在BLiX實驗室和BESSY II同步輻射光源進行。

鋰離子電池技術近年來不斷進步，其中NMC材料與石墨陽極的組合已成為鈕扣電池陰極材料的標準配置。然而，即便是最先進的電池也無法避免老化問題，容量會隨著時間逐漸降低。

「電池在充放電過程中，陽極、隔離膜和陰極之間的介面會發生許多變化，」HZB物理學家、本研究第一作者Ioanna Mantouvalou解釋道。傳統上，這些變化只能在拆解電池後進行研究，也就是所謂的「離位」(ex situ)分析。

如今，研究人員有了新選擇：透過「原位」(in situ)和「操作中」(operando)實驗，利用共聚焦幾何結構的X射線螢光光譜(XRF)和X射線吸收光譜(XAS)，可以在電池運作時直接觀察內部變化。這種技術能對樣品進行三維掃描，深度解析度可達10微米。

BLiX實驗室配備的共聚焦微X射線螢光光譜儀，能夠長時間自動分析樣品。「這種配置讓我們能區分從NMC陰極到背接觸層的各個層次，研究其元素組成。這提供了空間解析的運作資訊，而且完全不會破壞層狀結構，」Mantouvalou強調。

研究團隊在BLiX儀器上對鋰鈕扣電池進行了長達數週、超過10,000次充放電迴圈的測試，獲得了NMC電極隨時間退化的詳細資料。此外，樣品也在BESSY II的PTB實驗室新設的微聚焦光束線(MiFO)進行了檢測。

研究結果顯示，在前三週的充放電過程中(約200次迴圈)，錳元素會從NMC陰極溶解並遷移至碳陽極。此後，化合物逐漸在介面層溶解，進而阻止了後續的反應和變化。

「我們迫切需要這些定量分析結果來進一步提升電池效能，」Mantouvalou表示。值得一提的是，BLiX實驗室的裝置也可應用於其他材料的研究。

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