鋰離子電池的混合物電極的示意圖

對(duì)組分相同，但孔隙率不同的鋰離子電池混合物電極進(jìn)行二維X射線吸收光譜成像的結(jié)果

京都大學(xué)2016年5月23日宣布，實(shí)現(xiàn)了鋰離子電池內(nèi)部反應(yīng)不均勻現(xiàn)象的可視化，并查明了該現(xiàn)象發(fā)生的原因。該校研究人員發(fā)現(xiàn)，電極內(nèi)部的反應(yīng)不均勻性取決于離子導(dǎo)電，會(huì)對(duì)電池性能產(chǎn)生巨大影響。實(shí)用性的電池設(shè)計(jì)包含很多試錯(cuò)（TryandError）的要素，利用此次的成果，有望從更科學(xué)的角度設(shè)計(jì)出高性能的電池。

鋰離子電池的充放電是通過電解質(zhì)提供的離子與外部電路提供的電子之間的反應(yīng)進(jìn)行的。有研究推測(cè)，在發(fā)生反應(yīng)的混合物電極內(nèi)，伴隨著電子傳導(dǎo)、離子傳導(dǎo)，還存在大量的電阻成分，電池性能會(huì)受到電子電阻與離子電阻之間平衡的影響。由于不均勻的反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致電極利用率降低、特定部位的劣化加快，因此，掌握反應(yīng)分布情況，并將結(jié)果反映到混合物電極的設(shè)計(jì)中，具有非常重要的意義。

這一次，研究人員在檢測(cè)混合物電極內(nèi)截面方向的反應(yīng)不均勻現(xiàn)象時(shí)，使用了二維X射線吸收光譜成像法。這種方法利用伴隨鋰離子進(jìn)出的過渡金屬的氧化還元來估測(cè)電極活性物質(zhì)的離子價(jià)，顯示充電情況的指標(biāo)。通過對(duì)組分相同但電池性能不同的混合物電極進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，在縫隙（孔隙率）大的電極發(fā)生的反應(yīng)均勻，而對(duì)于孔隙率小的電極，是先從電極和電解質(zhì)的界面優(yōu)先發(fā)生反應(yīng)，內(nèi)部出現(xiàn)了明顯的不均勻性。

另外，研究人員還開發(fā)出使用6個(gè)端子分離測(cè)量混合物電極中的電子和離子電導(dǎo)率的檢測(cè)方法，并實(shí)際進(jìn)行了測(cè)量。結(jié)果顯示，在混合物電極中，與電子電導(dǎo)率相比，離子電導(dǎo)率非常小，如果孔隙率小，離子電導(dǎo)率還會(huì)進(jìn)一步縮小。這些情況說明，在鋰離子電池的混合物電極中，離子導(dǎo)電極有可能受到了速率控制，反應(yīng)的不均勻性是性能支配因素。

因?yàn)榉磻?yīng)的不均勻性在大型電池中表現(xiàn)得尤為明顯，所以，這次的研究成果可以應(yīng)用于車載鋰電池等的設(shè)計(jì)。二維X射線吸收光譜成像法和電子及離子導(dǎo)電率分離檢測(cè)法也有望作為混合物電極中發(fā)生的現(xiàn)象的分析工具，得到廣泛應(yīng)用。

本次研究由京都大學(xué)與立命館大學(xué)、日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所（產(chǎn)綜研）、KRI公司合作開展。研究成果已于5月19日（日本時(shí)間）發(fā)布在Natrure旗下的在線科學(xué)期刊《ScientificReports》。（特約撰稿人：工藤宗介）