研究人員實時觀察鋰離子的運動狀況 以提高電動汽車電池材料的性能

研究人員發(fā)現(xiàn)，在下一代電池材料中，鋰離子的不規(guī)則運動可能降低電池容量，并影響性能。據(jù)外媒報道，在劍橋大學(xué)(University of Cambridge)研究人員的領(lǐng)導(dǎo)下，該團(tuán)隊在富有前景的新型電池材料中實時跟蹤了鋰離子的運動狀況。

以往有觀點認(rèn)為，在電池材料中，單個活性粒子中的鋰離子存儲機制是均勻的。然而，在此項研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)，在充放電循環(huán)中鋰的存儲并不均勻。當(dāng)電池的放電循環(huán)快要結(jié)束時，活性粒子的表面達(dá)到鋰飽和，其核心則缺乏鋰。這會導(dǎo)致可重復(fù)使用的鋰減少，以及電池容量下降。

鋰離子電池具有高能量密度，廣泛應(yīng)用于電動汽車。然而，出于對更長續(xù)航里程和更快充電時間的需求，需要改進(jìn)目前的電池材料，以及找到新的材料。這項研究將有助于改善現(xiàn)有電池材料，并加速開發(fā)下一代電池。

目前，作為領(lǐng)先的正極材料，層狀富鎳鋰氧化物廣泛應(yīng)用于高端電動汽車。然而，其運行機制，尤其是在實際操作環(huán)境中的鋰離子傳輸，以及這與其電化學(xué)性能之間的聯(lián)系，尚未完全明了。因此，這些材料還無法充分發(fā)揮其性能潛力。

在電池運行過程中，通過顯微鏡跟蹤光與活性粒子的相互作用。研究人員發(fā)現(xiàn)，在充放電循環(huán)過程中，富鎳錳鈷氧化物(NMC)中的鋰存儲存在明顯差異。劍橋大學(xué)化學(xué)系的研究人員Alice Merryweather表示：“這是首次在單個粒子直接觀察到不均勻的鋰存儲。這類實時技術(shù)發(fā)揮了重要作用，因此可以在電池循環(huán)期間獲得新發(fā)現(xiàn)。”

研究人員結(jié)合實驗觀察與計算機建模發(fā)現(xiàn)，這種不均勻性來源于充放電循環(huán)期間NMC中的鋰擴(kuò)散速度發(fā)生了巨大變化。具體地說，鋰離子在完全鋰化的NMC顆粒中擴(kuò)散緩慢。然而，一旦從這些顆粒中提取一些鋰離子，擴(kuò)散速度就會明顯加快。劍橋大學(xué)工程學(xué)系的ShrinidhiPandurangi博士表示：“通過這種模型，可以了解在充電早期階段鋰離子在NMC中的擴(kuò)散變化范圍。該模型可準(zhǔn)確地預(yù)測鋰分布，并獲得在實驗中觀察到的非均勻性的程度。這些預(yù)測結(jié)果非常關(guān)鍵，有助于了解其他電池的退化機制，比如粒子斷裂。”

在第一次充放電循環(huán)后，富鎳正極材料通常會損失約10%的容量。在放電結(jié)束時觀測到的非均勻性鋰，提供了其中的原因之一。該研究的第一作者之一、上海科技大學(xué)(Shanghai Tech University)的徐超博士在劍橋大學(xué)期間完成了這項研究。他表示：“這一發(fā)現(xiàn)具有重要意義。因為判斷電池是否應(yīng)該退役的一個行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是，電池容量下降20%。”

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