麻省理工學院研究人員的新觀察揭示了一種廣泛用于鋰離子電池的電極的內部工作原理，研究人員說，這些新研究結果解釋了這種電池出乎意料的高功率和長循環壽命，所研究的電極材料磷酸鐵鋰（LiFePO4）被認為是用于鋰基可充電電池的特別有前途的材料;它已經在從電動工具到電動汽車到大規模電網存儲的各種應用中得到了證明，麻省理工學院的研究人員發現，在這個電極內部，在充電過程中，固體溶液區（SSZ）形成在富鋰區和鋰耗盡區之間，充電活動集中的區域，因為鋰離子被拉出電極，李說這個SSZ“理論上已經預測存在，但我們第一次直接看到它”，在充電過程中拍攝的透射電子顯微鏡（TEM）視頻中。

這些觀察有助于解決關于LiFePO4的長期難題：在塊狀晶體形式中，磷酸鐵鋰和磷酸鐵（FePO4，在充電過程中鋰離子遷移出材料時留下的FePO4）具有非常差的離子和電導率，然而，當用摻雜和碳涂層處理并用作電池中的納米顆粒時，該材料表現出令人印象深刻的高充電速率，李說“當首次證明這種[快速充電和放電率]時，這是非常令人驚訝的，”巴特爾能源聯盟核科學與工程教授，材料科學與工程教授李說“我們直接觀察到亞穩態隨機固溶體可以解決這個多年來一直引起[材料科學家]興趣的基本問題，”SSZ是“亞穩態”狀態，在室溫下持續至少幾分鐘，更換LiFePO4和FePO4之間的尖銳界面，其已被證明包含許多稱為“位錯”的額外線缺陷，SSZ用作緩沖劑，減少了隨著電化學反應前沿而移動的位錯數量，李說“我們沒有看到任何錯位，”這可能很重要，因為位錯的產生和儲存會引起疲勞并限制電極的循環壽命。

與傳統的TEM成像不同，這項工作中使用的技術由Kushima和Li于2010年開發，可以在充電和放電時觀察電池組件，從而揭示動態過程，李說“在過去的四年中，使用這種原位TEM技術研究電池操作已經出現了大爆炸，”Li說，通過更好地調整其特性，更好地理解這些動態過程可以改善電極材料的性能，盡管目前尚未完全理解，但鋰鐵磷酸鹽納米粒子已經在工業規模上用于鋰離子電池，Li解釋說，“科學落后于應用，它已經在市場上擴大規模并取得了相當大的成功，這是納米技術的成功故事之一。”

Niu說“與傳統鋰離子相比，[磷酸鐵鋰]環保且非常穩定，但對這種材料的理解很重要，”雖然SSZ的發現是在LiFePO4中進行的，但李說，“同樣的原理可能適用于其他電極材料，人們正在尋找高功率電極材料，并且這種亞穩態可存在于其他散裝形式的惰性電極材料中，發現的這種現象可能很普遍，而且不是特定于這種材料，”太平洋西北國家實驗室的研究科學家王崇民沒有參與這項研究，他稱這篇論文“很棒”，Wang說“已經提出了幾種基于理論和實驗工作的模型，然而，他們似乎都沒有定論，這項新的研究為工作機制提供了令人信服的直接證據，這項工作是向前推進有利于實體解決方案模式的重要一步。”