錳原子在三周后開始泄漏 —— 電池制造商可以利用這一信息來減緩電池容量的衰減。

科學家們首次實時觀察了鋰離子紐扣電池的腐蝕情況，在不使電池破裂的情況下，記錄了10000多個充電周期。

Operando實驗（真實操作條件下的實驗）指出，錳的損失是容量衰減過程中最早也是最具破壞性的一步，電池制造商現在可以利用這些數據來重新設計未來的高能電池。

一種觀察電池耗盡的新方法

當鋰離子電池失去動力時，根本原因隱藏在只有幾十微米厚的層里。到目前為止，研究人員只能在鋸開電池后，捕捉單個“之前”或“之后”的快照，才能探測這些層。由柏林亥姆霍茲中心（HZB）和德國聯邦物理技術研究院（PTB）牽頭的德國合作團隊打破了這一瓶頸。

該團隊使用柏林工業大學BLiX實驗室的共聚焦微X射線熒光（μXRF）光譜儀對商業鈕扣電池內的元素電流進行了數周的跟蹤。陰極是最先進的鎳錳鈷氧化物（NMC）；陽極，標準石墨。

在正常工作電流下，研究人員每隔幾小時掃描一次完整的電池，生成了10微米深度分辨率的三維化學圖 —— 足夠精細，可以分離陰極、分離器、陽極和金屬背板。

“一切都是非破壞性的，”HZB的第一作者約安娜·曼圖瓦盧博士說。“當電池仍在工作時，我們可以量化每個元素的遷移位置。”

早期的罪魁禍首是遷移的錳

數據顯示了一個兩階段的老化機制。在大約前200次充放電循環中（測試周期約為三周），錳原子從NMC晶格中浸出，漂過分離器，電鍍到碳陽極上。

此時只有微量的鎳和鈷在移動。一旦達到一定數量的錳流失，陰極內部的溶解就會減慢。盡管如此，在隔膜層和集流層中仍會發生反應，從而引發更廣泛的電化學破壞。

這一發現是一個警告信號，因為錳是高能陰極中最便宜且越來越普遍的成分。曼圖瓦盧博士解釋說：“知道錳是最早的推動者，制造商就可以瞄準涂料或電解質添加劑來確定它。

兩個實驗室，一張照片

BLiX的長時間掃描提供了退化時間線；在BESSY II同步加速器上，PTB新的MiFO微聚焦光束線的高亮度“快照”充滿了原子細節。共聚焦幾何結構，兩個微小的X射線透鏡在細胞內的一個點上對齊，捕獲了同一體素的熒光和吸收光譜，提高了定量精度。

國家同步加速器的波束時間是寶貴的，因此BLiX系統運行長達數天的自主活動的能力彌補了一個關鍵的差距。曼圖瓦盧博士說：“我們現在可以把BESSY II保留在關鍵的時間間隔，讓實驗室光譜儀收集電影的其余部分。”

超越紐扣電池

雖然原型實驗使用的是鈕扣電池，但該技術可以擴展到堆疊袋狀或圓柱形格式以及其他化學形式。任何層比頭發絲還薄的設備 —— 固態電解質、燃料電池，甚至半導體堆棧 —— 原則上都可以被掃描。

這項研究的合作伙伴包括密歇根大學和HZB的SyncLab研究人員。經費來自德國聯邦教育和研究部。

曼圖瓦盧博士指出：“定量的、可操作的、分層的數據一直是電池老化研究中缺失的一部分。有了這個工具集，我們就可以在機制層面上攻擊能力衰退，而不僅僅是通過反復試驗。”

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