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)則運動而受到阻礙。由劍橋大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的研究小組實時監(jiān)測了一種潛在的新電池材料內(nèi)部的鋰離子流動。之前人們認為，鋰離子儲存在電池材料中的機制對每個活性粒子來說是統(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，鋰的儲存并不均勻。

當電池的放電周期接近尾聲時，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研究可能有助于推動現(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)濟轉(zhuǎn)變，發(fā)展電動汽車（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)電動汽車供應(yīng)動力。然而，隨著電動汽車使用量的新增，對更大范圍和更快充電時間的要求，要改進現(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的正極材料，它們被廣泛用于高級電動汽車。然而，它們的工作機制，特別是在實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。

通過在顯微鏡下跟蹤電池運行過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)中的鋰存儲存在明顯差異。

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

結(jié)合實驗觀察和計算機建模，研究人員發(fā)現(xiàn)，非均勻性源于充放電周期中NMC中鋰離子擴散速度的急劇變化。具體來說，鋰離子在完全鋰化的NMC顆粒中擴散緩慢，但一旦從這些顆粒中提取一些鋰離子，擴散就會明顯增強。

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

重要的是，在放電結(jié)束時看到的鋰的異質(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："這很重要，考慮到用于確定電池是否應(yīng)該退役的一個行業(yè)標準是當它失去20%的容量。"

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