研究人員實時觀察鋰離子的運動狀況 以提高電動汽車電池材料的性能

研究人員發現，在下一代電池材料中，鋰離子的不規則運動可能降低電池容量，并影響性能。據外媒報道，在劍橋大學(University of Cambridge)研究人員的領導下，該團隊在富有前景的新型電池材料中實時跟蹤了鋰離子的運動狀況。

以往有觀點認為，在電池材料中，單個活性粒子中的鋰離子存儲機制是均勻的。然而，在此項研究中，研究人員發現，在充放電循環中鋰的存儲并不均勻。當電池的放電循環快要結束時，活性粒子的表面達到鋰飽和，其核心則缺乏鋰。這會導致可重復使用的鋰減少，以及電池容量下降。

鋰離子電池具有高能量密度，廣泛應用于電動汽車。然而，出于對更長續航里程和更快充電時間的需求，需要改進目前的電池材料，以及找到新的材料。這項研究將有助于改善現有電池材料，并加速開發下一代電池。

目前，作為領先的正極材料，層狀富鎳鋰氧化物廣泛應用于高端電動汽車。然而，其運行機制，尤其是在實際操作環境中的鋰離子傳輸，以及這與其電化學性能之間的聯系，尚未完全明了。因此，這些材料還無法充分發揮其性能潛力。

在電池運行過程中，通過顯微鏡跟蹤光與活性粒子的相互作用。研究人員發現，在充放電循環過程中，富鎳錳鈷氧化物(NMC)中的鋰存儲存在明顯差異。劍橋大學化學系的研究人員Alice Merryweather表示：“這是首次在單個粒子直接觀察到不均勻的鋰存儲。這類實時技術發揮了重要作用，因此可以在電池循環期間獲得新發現。”

研究人員結合實驗觀察與計算機建模發現，這種不均勻性來源于充放電循環期間NMC中的鋰擴散速度發生了巨大變化。具體地說，鋰離子在完全鋰化的NMC顆粒中擴散緩慢。然而，一旦從這些顆粒中提取一些鋰離子，擴散速度就會明顯加快。劍橋大學工程學系的ShrinidhiPandurangi博士表示：“通過這種模型，可以了解在充電早期階段鋰離子在NMC中的擴散變化范圍。該模型可準確地預測鋰分布，并獲得在實驗中觀察到的非均勻性的程度。這些預測結果非常關鍵，有助于了解其他電池的退化機制，比如粒子斷裂。”

在第一次充放電循環后，富鎳正極材料通常會損失約10%的容量。在放電結束時觀測到的非均勻性鋰，提供了其中的原因之一。該研究的第一作者之一、上海科技大學(Shanghai Tech University)的徐超博士在劍橋大學期間完成了這項研究。他表示：“這一發現具有重要意義。因為判斷電池是否應該退役的一個行業標準是，電池容量下降20%。”

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