锰原子在三周后开始泄漏 —— 电池制造商可以利用这一信息来减缓电池容量的衰减。

科学家们首次实时观察了锂离子纽扣电池的腐蚀情况，在不使电池破裂的情况下，记录了10000多个充电周期。

Operando实验（真实操作条件下的实验）指出，锰的损失是容量衰减过程中最早也是最具破坏性的一步，电池制造商现在可以利用这些数据来重新设计未来的高能电池。

一种观察电池耗尽的新方法

当锂离子电池失去动力时，根本原因隐藏在只有几十微米厚的层里。到目前为止，研究人员只能在锯开电池后，捕捉单个“之前”或“之后”的快照，才能探测这些层。由柏林亥姆霍兹中心（HZB）和德国联邦物理技术研究院（PTB）牵头的德国合作团队打破了这一瓶颈。

该团队使用柏林工业大学BLiX实验室的共聚焦微X射线荧光（µXRF）光谱仪对商业钮扣电池内的元素电流进行了数周的跟踪。阴极是最先进的镍锰钴氧化物（NMC）；阳极，标准石墨。

在正常工作电流下，研究人员每隔几小时扫描一次完整的电池，生成了10微米深度分辨率的三维化学图 —— 足够精细，可以分离阴极、分离器、阳极和金属背板。

“一切都是非破坏性的，”HZB的第一作者约安娜·曼图瓦卢博士说。“当电池仍在工作时，我们可以量化每个元素的迁移位置。”

早期的罪魁祸首是迁移的锰

数据显示了一个两阶段的老化机制。在大约前200次充放电循环中（测试周期约为三周），锰原子从NMC晶格中浸出，漂过分离器，电镀到碳阳极上。

此时只有微量的镍和钴在移动。一旦达到一定数量的锰流失，阴极内部的溶解就会减慢。尽管如此，在隔膜层和集流层中仍会发生反应，从而引发更广泛的电化学破坏。

这一发现是一个警告信号，因为锰是高能阴极中最便宜且越来越普遍的成分。曼图瓦卢博士解释说：“知道锰是最早的推动者，制造商就可以瞄准涂料或电解质添加剂来确定它。

两个实验室，一张照片

BLiX的长时间扫描提供了退化时间线；在BESSY II同步加速器上，PTB新的MiFO微聚焦光束线的高亮度“快照”充满了原子细节。共聚焦几何结构，两个微小的X射线透镜在细胞内的一个点上对齐，捕获了同一体素的荧光和吸收光谱，提高了定量精度。

国家同步加速器的波束时间是宝贵的，因此BLiX系统运行长达数天的自主活动的能力弥补了一个关键的差距。曼图瓦卢博士说：“我们现在可以把BESSY II保留在关键的时间间隔，让实验室光谱仪收集电影的其余部分。”

超越纽扣电池

虽然原型实验使用的是钮扣电池，但该技术可以扩展到堆叠袋状或圆柱形格式以及其他化学形式。任何层比头发丝还薄的设备 —— 固态电解质、燃料电池，甚至半导体堆栈 —— 原则上都可以被扫描。

这项研究的合作伙伴包括密歇根大学和HZB的SyncLab研究人员。经费来自德国联邦教育和研究部。

曼图瓦卢博士指出：“定量的、可操作的、分层的数据一直是电池老化研究中缺失的一部分。有了这个工具集，我们就可以在机制层面上攻击能力衰退，而不仅仅是通过反复试验。”

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