Azom与丹尼尔·亚伯拉罕（Daniel Abraham）博士谈论了他围绕锂离子电池的研究，尤其是快速充电的挑战。
Please can you introduce yourself, your background, and how you began researching your specialty of lithium-ion batteries?
我是美国伊利诺伊州芝加哥郊外的政府研究实验室Argonne National Laboratory的高级材料科学家。完成博士学位后，我很快就开始在Argonne工作 - 28年前！自2001年以来，我一直在研究锂离子电池。我们的团队进行了以任务为导向的研究，以开发材料和方法，以增强电池的性能，安全性和寿命，用于各种实际应用。亚博网站下载
随着对电动汽车使用的关注越来越多，锂离子电池对科学和社会的重要性如何？亚博老虎机网登录
无论我们是否意识到，锂离子电池在日常生活中都普遍存在。他们通过使设备更轻，更小，从而改变了手机和计算机行业。随着汽车行业从化石供电的内燃机迁移到电池供电的电动机以推动车辆，它们将重新运输。电池用于存储由可再生能源（例如太阳，风和潮汐）产生的能源。电动工具，医疗设备，智能手表，无人机和太空app亚博体育卫星 - 所有这些都包含锂离子电池。
您能否简要描述锂离子电池的运行方式以及石墨在其功能中扮演的角色？
锂离子电池包含四个基本组件：正电极（阴极），负电极（阳极），一个允许锂离子在它们之间流动的电解质以及将电极分离的分离器，以防止短路。
大多数商用锂离子电池都有阴极中的含锂的镍果粘岩氧化物颗粒和阳极中的石墨颗粒。yabo214当您给电池充电时，电源从电源出口迫使锂离子从阴极移动到阳极。这将电能从出口转换为存储的化学能。当您拔下电池并开始使用电池时，锂离子会流回阴极；存储的化学能被转换为电子流以为设备供电。
Image Credit: Daniel Abraham, Argonne National Laboratory
您的研究考虑了插入过程。您能详细描述这是什么以及为什么它很重要吗？
插入是将离子或分子插入具有分层结构的固体材料中。亚博网站下载去干预是相反的，其中从材料结构中提取了离子或分子。锂离子电池依赖于可逆的插入和去骨过程。
在充电过程中，锂离子从阴极中的氧化物颗粒中去除（提取），并在阳极中石墨碳层之间进行插入（插入）。yabo214在放电期间发生反向。有时，锂离子参与了捕获和固定的化学反应，而不是插入，使它们退出了流通：移动锂离子的这种损失会降低电池性能和寿命。
这个过程如何通过迅速为锂离子电池充电？快速充电还会产生其他其他负面影响吗？
在缓慢的电荷过程中，锂离子逐渐在石墨片之间插入。但是，当电荷速率增加时，锂离子积聚在石墨上，粘在表面，甚至在颗粒上形成金属锂。yabo214这种金属锂与周围的电解质反应，固定在化合物中，以阻断锂离子在电极大量中的平稳运动。此外，锂离子通过电池的快速运动强调石墨，扭曲和扭曲其原子结构，并影响其接受锂离子的能力，从而降解细胞性能。
您能描述用于研究锂电镀及其对阳极的影响的方法吗？
我们结合了显微镜，光谱和衍射方法来检查快速充电的效果。在千分尺尺度上，我们使用了扫描电子显微镜和能量X射线光谱，以表明由于含锂的反应产物积聚在电极孔中，阳极厚度增加。在原子量表上，我们使用了高分辨率电子显微镜和扫描电子纳米式曲线，以表明由于反复的快速充电，石墨的先前层面原子结构越来越扭曲。
How can the negative effects incurred by fast charging be avoided or mitigated?
我们正在采用几种方法来实现快速充电，其中包括改变石墨粒子结构以实现更快的插入和对齐电极孔以加快阳极中的锂扩散。其他方法包括设计具有高锂离子电导率的电解质，使用能够使离子运动更快的高孔分离器以及开发可防止氧化物和石墨结构损害的充电方法。
Image Credit: buffaloboy/Shutterstock.com
当我们试图最大程度地减少集体碳足迹时，电动汽车将变得越来越重要。您认为您的研究对改善电动汽车有多重要？
Fast charging would ease consumer concerns regarding refueling time and accelerate the transition to electric transportation. However, charging at high rates can degrade battery performance, decreasing its range, life, and safety characteristics. Our research examines the mechanisms responsible for this loss of performance and recommends solutions for the design of batteries that can endure repeated fast-charging while reliably delivering high-performance over the lifespan of electric vehicles.
Was there any part of this research that was especially surprising or interesting to you?
We were surprised to find out that only a small number of fast-charge cycles is sufficient to induce significant and permanent disorder in graphite domains, especially in those particles closest to the electrolyte. Furthermore, we noted that these structural changes are highly non-uniform across the particles, which appears to be a consequence of reaction heterogeneities caused by the high-rate cycling.
该主题的下一步是什么？您是否希望对锂离子电池进行进一步的研究，尤其是快速充电效果？
We are examining every part of the battery – cathode, anode, separator, and electrolyte – to gain insights that will lead to a device in which every component responds rapidly during charging and allows lithium-ion flow with minimal barriers and interruptions. Our recent studies have shown that the distribution of lithium-ion concentration across the electrodes is non-uniform during fast charging. Our present challenge is to design materials and electrodes that will store maximum charge as uniformly as possible. This will improve battery performance and improve the mileage delivered during fast charge.
读者在哪里可以找到更多信息？
有关我们的研究的更多信息，请参见以下链接：
关于丹尼尔·亚伯拉罕博士
Daniel P. Abraham博士（Argonne National Laboratory）对电动汽车，消费电子和电网储能中使用的锂电池进行了研究。他在同行评审期刊上撰写了180多种文章，并在流行，yabo214学术和工业环境中发表了350多种技术演讲。他的研究领域包括快速充电，电极材料中的晶体结构转换，硅电极的发育，固体电解质间相（SEI）形成/溶解机制，电极应力演化，电极和颗粒涂层，电解质添加剂以及电化学模型。亚博网站下载他的工作使材料和组件的开发能够增强电池性能，寿命和安全性。亚博网站下载亚伯拉罕博士还是各个本科生，研究生，博士后伙伴和初级科学家的研究顾问和导师。他因“发展下一代科学家和工程师的出色工作”而获得了杰出的博士后主管奖和教育奖。
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