研究人員發(fā)現(xiàn)，下一代電池材料的性能和容量可能因鋰離子的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)而受到阻礙。由劍橋大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的研究小組實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)了一種潛在的新電池材料內(nèi)部的鋰離子流動(dòng)。之前人們認(rèn)為，鋰離子儲(chǔ)存在電池材料中的機(jī)制對(duì)每個(gè)活性粒子來(lái)說(shuō)是統(tǒng)一的。然而，劍橋大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的研究發(fā)現(xiàn)，在充放電循環(huán)中，鋰的儲(chǔ)存并不均勻。

當(dāng)電池的放電周期接近尾聲時(shí)，活性粒子的表面變得鋰飽和，而其核心則缺乏鋰。這導(dǎo)致了容量的減少和可重復(fù)使用的鋰的損失。

法拉第研究所資助的這項(xiàng)研究可能有助于推動(dòng)現(xiàn)有電池材料的發(fā)展，并加速下一代電池的創(chuàng)造。該研究結(jié)果最近發(fā)表在《焦耳》雜志上。

為了向零碳經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)變，發(fā)展電動(dòng)汽車(chē)（EV）是必不可少的手段。由于其巨大的能量密度，鋰電池為目前道路上的大多數(shù)電動(dòng)汽車(chē)供應(yīng)動(dòng)力。然而，隨著電動(dòng)汽車(chē)使用量的新增，對(duì)更大范圍和更快充電時(shí)間的要求，要改進(jìn)現(xiàn)有的電池材料，并發(fā)現(xiàn)新的材料。

這些材料中最有前途的一些是被稱為層狀富鎳鋰氧化物的最先進(jìn)的正極材料，它們被廣泛用于高級(jí)電動(dòng)汽車(chē)。然而，它們的工作機(jī)制，特別是在實(shí)際操作條件下的鋰離子傳輸，以及這和它們的電化學(xué)性能是如何聯(lián)系在一起的還沒(méi)有被充分理解，所以我們還不能從這些材料中獲得最大的性能。

通過(guò)在顯微鏡下跟蹤電池運(yùn)行過(guò)程中光和活性顆粒的相互用途，研究人員觀察到富鎳錳鈷氧化物（NMC）在充放電循環(huán)中的鋰存儲(chǔ)存在明顯差異。

這是第一次在單個(gè)顆粒中直接觀察到鋰存儲(chǔ)的這種不均勻性，來(lái)自劍橋大學(xué)優(yōu)素福-哈米德化學(xué)系的共同第一作者AliceMerryweather說(shuō)。像我們這樣的實(shí)時(shí)技術(shù)關(guān)于在電池循環(huán)時(shí)捕捉這種情況是至關(guān)重要的。

結(jié)合實(shí)驗(yàn)觀察和計(jì)算機(jī)建模，研究人員發(fā)現(xiàn)，非均勻性源于充放電周期中NMC中鋰離子擴(kuò)散速度的急劇變化。具體來(lái)說(shuō)，鋰離子在完全鋰化的NMC顆粒中擴(kuò)散緩慢，但一旦從這些顆粒中提取一些鋰離子，擴(kuò)散就會(huì)明顯增強(qiáng)。

我們的模型供應(yīng)了對(duì)NMC中鋰離子擴(kuò)散在充電早期階段的變化范圍的見(jiàn)解，來(lái)自劍橋大學(xué)工程系的共同第一作者ShrinidhiS.Pandurangi博士說(shuō)。"我們的模型準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)了鋰的分布，并捕捉到了實(shí)驗(yàn)中觀察到的異質(zhì)性程度。這些預(yù)測(cè)是理解其他電池降解機(jī)制的關(guān)鍵，如顆粒斷裂。"

重要的是，在放電結(jié)束時(shí)看到的鋰的異質(zhì)性確定了富鎳正極材料在第一次充放電循環(huán)后通常會(huì)損失大約10%的容量的原因之一。共同第一作者、上海理工大學(xué)的徐超博士說(shuō)："這很重要，考慮到用于確定電池是否應(yīng)該退役的一個(gè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是當(dāng)它失去20%的容量。"

研究人員現(xiàn)在正在尋求新的方法來(lái)提高這些有前途的電池材料的實(shí)際能量密度和壽命。