剑桥大学新研究观察锂离子流动 有望提高电动车电池的充放电性能表现

研究人员发现，下一代电池材料的性能和容量可能因锂离子的不规则运动而受到阻碍。由剑桥大学领导的研究小组实时监测了一种潜在的新电池材料内部的锂离子流动。之前人们认为，锂离子储存在电池材料中的机制对每个活性粒子来说是统一的。然而，剑桥大学领导的研究发现，在充放电循环中，锂的储存并不均匀。

当电池的放电周期接近尾声时，活性粒子的表面变得锂饱和，而其核心则缺乏锂。这导致了容量的减少和可重复使用的锂的损失。

法拉第研究所资助的这项研究可能有助于推动现有电池材料的发展，并加速下一代电池的创造。该研究结果最近发表在《焦耳》杂志上。

为了向零碳经济转变，发展电动汽车（EV）是必不可少的手段。由于其巨大的能量密度，锂离子电池为目前道路上的大多数电动汽车提供动力。然而，随着电动车使用量的增加，对更大范围和更快充电时间的要求，需要改进现有的电池材料，并发现新的材料。

这些材料中最有前途的一些是被称为层状富镍锂氧化物的最先进的正极材料，它们被广泛用于高级电动汽车。然而，它们的工作机制，特别是在实际操作条件下的锂离子传输，以及这与它们的电化学性能是如何联系在一起的还没有被充分理解，所以我们还不能从这些材料中获得最大的性能。

通过在显微镜下跟踪电池运行过程中光与活性颗粒的相互作用，研究人员观察到富镍锰钴氧化物（NMC）在充放电循环中的锂存储存在明显差异。

"这是第一次在单个颗粒中直接观察到锂存储的这种不均匀性，"来自剑桥大学优素福-哈米德化学系的共同第一作者Alice Merryweather说。"像我们这样的实时技术对于在电池循环时捕捉这种情况是至关重要的。"

结合实验观察和计算机建模，研究人员发现，非均匀性源于充放电周期中NMC中锂离子扩散速度的急剧变化。具体来说，锂离子在完全锂化的NMC颗粒中扩散缓慢，但一旦从这些颗粒中提取一些锂离子，扩散就会明显增强。

"我们的模型提供了对NMC中锂离子扩散在充电早期阶段的变化范围的见解，"来自剑桥大学工程系的共同第一作者Shrinidhi S. Pandurangi博士说。"我们的模型准确地预测了锂的分布，并捕捉到了实验中观察到的异质性程度。这些预测是理解其他电池降解机制的关键，如颗粒断裂。"

重要的是，在放电结束时看到的锂的异质性确定了富镍正极材料在第一次充放电循环后通常会损失大约10%的容量的原因之一。共同第一作者、上海理工大学的徐超博士说："这很重要，考虑到用于确定电池是否应该退役的一个行业标准是当它失去20%的容量。"

研究人员现在正在寻求新的方法来提高这些有前途的电池材料的实际能量密度和寿命。