新观察揭示了锂离子电池的内部工作

时间：2021-06-10 12:52:10 来源：

图说明了充电或排出磷酸铁锂（LFP）电极的过程。由于在充电过程中除去锂离子，它形成锂耗尽的磷酸铁（FP）区，但在含有一些随机分布的锂原子的固体溶液区（SSZ，暗蓝绿色）不同，与原始晶体材料（浅蓝色）中的锂原子的有序阵列。这项工作提供了这一SSZ现象的第一个直接观察。

麻省理工学院研究人员展示了锂离子电池的内部工作，揭示了随机固体溶液如何影响离子通过电池材料的运动。

MIT研究人员的新观察揭示了一种广泛用于锂离子电池的电极的内部工作。研究人员说，新发现解释了这种电池的出乎意料的高功率和长循环寿命。

该研究结果显示在纳米纳米杰·君牛牛杰牛杰牛牛杰牛杰·艾牛，研究科学家Akihiro kushima，教授和ju li，以及其他三个。

研究的电极材料，磷酸铁锂（LiFepo4）被认为是锂基可充电电池的特别有希望的材料;它已经在从电动工具到电动车辆到大规模网格储存的应用中证明了它。MIT研究人员发现，在该电极内，在充电期间，在富含锂和锂耗尽区域之间的边界处形成固体溶液区（SSZ）形式 - 该区域浓缩充电活性的区域，因为锂离子被拉出电极。

李说，这个SSZ“已经预测存在，但我们第一次直接看到它，”在充电期间拍摄的透射电子显微镜（TEM）视频中。

观察结果有助于解决Lifepo4的长期难题：以散装晶体形式，磷酸铁锂和磷酸铁（FEPO4，在充电期间锂离子迁移出物质）具有非常差的离子和电导率。然而，当经处理的掺杂和碳涂层时 - 并用作电池中的纳米颗粒，材料表现出令人印象深的充电率。“在第一次证明[快速充电和放电率]时，这是非常令人惊讶的，”李说。

“我们直接观察到一种亚稳定的随机固体解决方案，可以解决许多年份有兴趣[材料科学家]的这一基本问题，”核科学与工程和材料科学与工程教授的Battelle能量联盟教授李说。

SSZ是“亚稳态”状态，在室温下持续至少几分钟。替换已经显示的LiFePO4和FEPO4之间的尖锐界面，这些锐利界面已被显示为称为“脱位”的许多额外的线缺陷，SSZ用作缓冲器，减少将通过电化学反应前进移动的位错数。“我们没有看到任何脱臼，”李说。这可能是重要的，因为脱位的产生和储存会导致疲劳并限制电极的循环寿命。

与传统的TEM成像不同，在这项工作中使用的技术，于2010年由Kushima和Li开发，可以在充电和放电时观察电池组件，这可以揭示动态过程。“在过去的四年中，使用这种原位结构技术来研究电池运营的大爆炸，”李说。

李说，更好地了解这些动态过程可以通过允许更好地调整其性能来改善电极材料的性能。

尽管迄今为止理解不完全，但锂磷酸锂纳米粒子已经以锂离子电池的工业规模用于解释。“科学在申请后滞后，”他说。“它已经在市场上扩大了，并且在市场上非常成功。这是纳米技术的成功案例之一。“

“与传统的锂离子相比，[磷酸铁锂]环保，非常稳定，”牛说。“但对于这种物质来说很重要。”

虽然SSZ的发现是在Lifepo4制造的虽然Li说，“相同的原理可能适用于其他电极材料。人们正在寻找高功率电极材料，这些稳定状态可能存在于散装形式惰性的电极材料中。… 发现的现象可能是非常一般的，而不是特定于这种材料。“

Chongmin Wang是一个没有参与这项研究的太平洋西北国家实验室研究科学家，称这篇论文称为“伟大的工作”。

“提出了基于理论和实验工作的几种模型，”王说。“然而，他们都没有似乎是决定性的。”

他说，这项新的研究“提供了工作机制的令人信服和直接证据”：“这项工作是向推动含糊不清的坚实解决方案模型的含糊不清的重要一步。”

该研究得到了美国国家科学基金会的支持。

出版物：Junjie Niu，等，“Lifepo4电极随机固溶区的原位观察，”2014年纳米字母; DOI：10.1021 / NL501415B.

图像：Junjie Niu，et al。，纳米信，2014年; DOI：10.1021 / NL501415B.

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