你是否注意到，电子设备中的电池寿命不如刚买的时候长了？由美国德克萨斯大学奥斯汀分校领导的国际研究团队，针对这一常见的电池衰减问题展开研究。他们将研究重点放在了我们日常频繁使用的无线耳机上，并利用X射线、红外线等成像技术，探究这些微型设备中电池寿命为何会随时间缩短。
研究人员利用X射线等先进成像技术研究无线耳机中的电池。图片来源：德克萨斯大学奥斯汀分校科克雷尔工程学院研究的灵感源自团队负责人、德克萨斯大学奥斯汀分校科克雷尔工程学院沃克机械工程系副教授刘毅进（Yijin Liu，音译）的亲身经历。他发现自己的无线耳机，仅使用右耳，两年后左耳的电池寿命却更长，于是决定深入探究。
刘毅进教授领导了一项研究，旨在进一步了解商用无线耳机的电池。图片来源：德克萨斯大学奥斯汀分校科克雷尔工程学院
研究发现，无线耳机内部的蓝牙天线、麦克风和电路等关键部件与电池相互干扰，形成了复杂的微环境。这种动态变化导致电池内部出现温度梯度，即电池顶部和底部温度不同，从而损坏电池。此外，现实世界中的各种因素，如不同的温度、空气质量等，也会影响电池寿命。尽管电池设计能够承受恶劣环境，但频繁的环境变化仍然会对其造成挑战。研究人员表示，这些发现表明，我们需要更多地思考电池如何适配手机、笔记本电脑和汽车等现实设备。怎样封装电池，才能减少它与可能造成损害的部件之间的相互作用？又该如何根据不同用户行为对电池进行调整？“不同的设备使用方式，会改变电池的性能和表现。” 论文第一作者、博士后研究员钱冠男（Guannan Qian，音译）说，“设备可能处于不同温度环境中，每个人的充电习惯也各不相同，而且每个电动汽车车主都有自己的驾驶风格。这些因素都很重要。”为开展实验，刘毅进团队与得克萨斯大学火灾研究小组紧密合作，该小组由机械工程师Ofodike Ezekoye领导。他们借助Ezekoye的红外成像技术，补充了在得克萨斯大学奥斯汀分校和西格雷公司实验室的X射线技术。但为了全面了解情况，刘毅进团队还求助于全球一些最强大的X射线设施。他们与来自SLAC国家加速器实验室的斯坦福同步辐射光源、布鲁克海文国家实验室的国家同步辐射光源II、阿贡国家实验室的先进光子源，以及法国欧洲同步辐射设施（ESRF）的团队展开合作。这些国内外机构为研究人员提供了使用世界级同步辐射设施的机会，让他们得以揭示现实条件下电池内部隐藏的变化机制。
“大多数时候，在实验室里，我们研究的要么是理想稳定的条件，要么是极端条件。” 布鲁克海文国家实验室的物理学家黄晓静（Xiaojing Huang，音译）说，“在发现和开发新型电池时，我们必须了解实验室条件与现实世界不可预测性之间的差异，并做出相应反应。X射线成像技术能为这方面提供有价值的见解。”
研究人员表示，未来将继续探索电池在现实条件下的性能表现，并将研究范围扩展到更大容量的电池，如手机、笔记本电脑和电动汽车的电池。
文献信息：Guannan Qian et al.. In‐device Battery Failure Analysis, Advanced Materials (2025). DOI: 10.1002/adma.202416915
