麻省理工學(xué)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(nèi)部工作原理，研究人員說(shuō)，這些新研究結(jié)果解釋了這種電池出乎意料的高功率和長(zhǎng)循環(huán)壽命，所研究的電極材料磷酸鐵鋰（LiFePO4）被認(rèn)為是用于鋰基可充電電池的特別有前途的材料;它已經(jīng)在從電動(dòng)工具到電動(dòng)汽車到大規(guī)模電網(wǎng)存儲(chǔ)的各種應(yīng)用中得到了證明，麻省理工學(xué)院的研究人員發(fā)現(xiàn)，在這個(gè)電極內(nèi)部，在充電過(guò)程中，固體溶液區(qū)（SSZ）形成在富鋰區(qū)和鋰耗盡區(qū)之間，充電活動(dòng)集中的區(qū)域，因?yàn)殇囯x子被拉出電極，李說(shuō)這個(gè)SSZ“理論上已經(jīng)預(yù)測(cè)存在，但我們第一次直接看到它”，在充電過(guò)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(guān)于LiFePO4的長(zhǎng)期難題：在塊狀晶體形式中，磷酸鐵鋰和磷酸鐵（FePO4，在充電過(guò)程中鋰離子遷移出材料時(shí)留下的FePO4）具有非常差的離子和電導(dǎo)率，然而，當(dāng)用摻雜和碳涂層處理并用作電池中的納米顆粒時(shí)，該材料表現(xiàn)出令人印象深刻的高充電速率，李說(shuō)“當(dāng)首次證明這種[快速充電和放電率]時(shí)，這是非常令人驚訝的，”巴特爾能源聯(lián)盟核科學(xué)與工程教授，材料科學(xué)與工程教授李說(shuō)“我們直接觀察到亞穩(wěn)態(tài)隨機(jī)固溶體可以解決這個(gè)多年來(lái)一直引起[材料科學(xué)家]興趣的基本問(wèn)題，”SSZ是“亞穩(wěn)態(tài)”狀態(tài)，在室溫下持續(xù)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(cuò)”的額外線缺陷，SSZ用作緩沖劑，減少了隨著電化學(xué)反應(yīng)前沿而移動(dòng)的位錯(cuò)數(shù)量，李說(shuō)“我們沒(méi)有看到任何錯(cuò)位，”這可能很重要，因?yàn)槲诲e(cuò)的產(chǎn)生和儲(chǔ)存會(huì)引起疲勞并限制電極的循環(huán)壽命。

與傳統(tǒng)的TEM成像不同，這項(xiàng)工作中使用的技術(shù)由Kushima和Li于2010年開發(fā)，可以在充電和放電時(shí)觀察電池組件，從而揭示動(dòng)態(tài)過(guò)程，李說(shuō)“在過(guò)去的四年中，使用這種原位TEM技術(shù)研究電池操作已經(jīng)出現(xiàn)了大爆炸，”Li說(shuō)，通過(guò)更好地調(diào)整其特性，更好地理解這些動(dòng)態(tài)過(guò)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(jīng)在工業(yè)規(guī)模上用于鋰離子電池，Li解釋說(shuō)，“科學(xué)落后于應(yīng)用，它已經(jīng)在市場(chǎng)上擴(kuò)大規(guī)模并取得了相當(dāng)大的成功，這是納米技術(shù)的成功故事之一。”

Niu說(shuō)“與傳統(tǒng)鋰離子相比，[磷酸鐵鋰]環(huán)保且非常穩(wěn)定，但對(duì)這種材料的理解很重要，”雖然SSZ的發(fā)現(xiàn)是在LiFePO4中進(jìn)行的，但李說(shuō)，“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(wěn)態(tài)可存在于其他散裝形式的惰性電極材料中，發(fā)現(xiàn)的這種現(xiàn)象可能很普遍，而且不是特定于這種材料，”太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究科學(xué)家王崇民沒(méi)有參與這項(xiàng)研究，他稱這篇論文“很棒”，Wang說(shuō)“已經(jīng)提出了幾種基于理論和實(shí)驗(yàn)工作的模型，然而，他們似乎都沒(méi)有定論，這項(xiàng)新的研究為工作機(jī)制提供了令人信服的直接證據(jù)，這項(xiàng)工作是向前推進(jìn)有利于實(shí)體解決方案模式的重要一步。”