麻省理工学院的研究人员展示了锂离子电池的内部工作原理，揭示了随机固溶体如何影响离子在电池材料中的运动。

麻省理工学院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原理。研究人员表示，新发现解释了这种电池出乎意料的高功率和长循环寿命。

这一发现发表在《纳米快报》杂志上的一篇论文中，该论文由麻省理工学院博士后牛俊杰、研究科学家Kushima Akihiro、教授Yet Ming Chiang和Ju Li以及其他三人合著。

所研究的电极材料磷酸铁锂（LiFePO4）被认为是一种特别有前途的锂基可充电电池材料；它已经在从电动工具到电动汽车再到大规模电网存储的各种应用中得到了证明。麻省理工学院的研究人员发现，在这个电极内部，在充电过程中，在富锂区和贫锂区之间的边界形成了一个固溶区（SSZ），当锂离子从电极中抽出时，该区域的充电活动集中。

Li说，在充电过程中拍摄的透射电子显微镜（TEM）视频中，这种SSZ“理论上已经被预测存在，但我们第一次直接看到它”。

这些观察结果有助于解决关于LiFePO4的一个长期难题：在块状晶体形式中，磷酸铁锂和磷酸铁（FePO4，在充电过程中随着锂离子迁移出材料而留下）的离子电导率和电导率都非常差。然而，当经过掺杂和碳涂层处理并用作电池中的纳米颗粒时，这种材料表现出令人印象深刻的高充电率。“当这种（快速充电和放电速率）首次被证明时，这是非常令人惊讶的，”李说。

“我们直接观察到了一种亚稳态随机固溶体，它可能解决这个多年来一直引起[材料科学家]兴趣的基本问题，”巴特尔能源联盟核科学与工程教授、材料科学与工程系教授Li说。

SSZ是一种“亚稳态”状态，在室温下持续至少几分钟。SSZ取代了LiFePO4和FePO4之间的尖锐界面，该界面已被证明包含许多被称为“位错”的额外线缺陷，它起到了缓冲作用，减少了原本会随着电化学反应前沿移动的位错数量。“我们没有看到任何错位，”李说。这可能很重要，因为位错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，Kushima和Li于2010年开发的这项工作中使用的技术可以观察电池组件的充电和放电过程，从而揭示动态过程。“在过去的四年里，使用这种原位TEM技术来研究电池操作的数量激增，”Li说。

李说，更好地理解这些动态过程可以通过更好地调节电极材料的财产来提高其性能。

尽管到目前为止还不完全了解，但磷酸铁锂纳米颗粒已经在工业规模上用于锂离子电池，Li解释道。“科学落后于应用，”他说。“它已经扩大了规模，在市场上相当成功。这是纳米技术的成功故事之一。”

“与传统的锂离子相比，[磷酸铁锂]是环保的，而且非常稳定，”牛说。“但重要的是要充分理解这些材料。”

虽然在LiFePO4中发现了SSZ，但Li说，“同样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，而这种亚稳态可能存在于其他呈块状惰性的电极材料中……发现的现象可能非常普遍，而不是这种材料特有的。”

太平洋西北国家实验室的研究科学家王崇敏没有参与这项研究，他称这篇论文是“伟大的工作”

“已经提出了几个基于理论和实验工作的模型，”王说。“然而，它们似乎都不是决定性的。”

他说，这项新的研究为正在发挥作用的机制“提供了令人信服的直接证据”：“这项工作是向前迈出的重要一步，有助于推动模糊性朝着有利于固体解决方案模型的方向发展。”

这项研究得到了美国国家科学基金会的支持。

出版物：牛俊杰等人，“LiFePO4电极中随机固溶区的原位观察”，Nano Letters，2014；内政部：10.1021/nl501415b

图片：牛俊杰等人，《纳米快报》，2014年；内政部：10.1021/nl501415b