弗吉尼亚大学探测锂离子在电极中的运动方式 有利于设计充放电速度更快的电池

据外媒报道，到2023年，全球锂离子电池市值有望达到470亿美元。由于锂离子电池具高能量密度（存储容量）、工作电压较高、保质期较长，而且“存储效应”（由于在之前的使用中电池没有完全放电，因而可充电电池的最大容量降低）较小。但是，安全性、充放电循环和使用寿命等因素一直制约着锂离子电池用于电动汽车等重负荷应用。

弗吉尼亚大学工程学院（theUniversityofVirginiaSchoolofEngineering）的研究人员正在美国橡树岭国家实验室（OakRidgeNationalLaboratory）利用中子成像技术探测锂离子电池，并对电池材料和结构的电化学特性进行深入研究。研究的重点是利用钛酸锂和钴酸锂这两种电活性材料的薄层和厚层烧结样品，追踪锂离子电池电极的锂化和脱锂（即充放电）过程。

了解锂在电池电极中的运动方式，对于设计能够以更快速度进行充放电的电池非常重要，改善锂在电极中的运动可以使电池的充电速度更快。

弗吉尼亚大学工程学院化学工程副教授GaryKoenig表示：“如果电极相对较厚，锂离子通过多孔材料和隔膜结构进行传输可以限制充放电速率。为了研发提高锂离子在充满电解质的电极多孔空隙区域的输运性能的方法，我们首先需要能够跟踪电池在充放电过程中离子的传输和分布。”

Koenig表示，高分辨X射线衍射等其他方法可以提供电化学过程中的详细结构数据，但是该方法通常会使材料的平均体积变大。同样地，x射线相位成像技术可以显示电池电解质中的含盐浓度，但是该技术只能用于特殊的光谱化学电池，而且只能获取电极区域间的成分信息。

为了获取更多详细信息，研究人员利用中子，在橡树岭国家实验室高通量同位素反应堆（HighFluxIsotopeReactor）的冷中子成像束线上进行了研究。

比较锂离子电池薄电极和厚电极的锂化过程，对于理解不均匀性（机械、结构、传输和动力学特性的局部变化）对电池寿命和性能的影响至关重要。局部不均也会导致电池电流、温度、充电状态和老化的不均。一般来说，随着电极厚度的增加，不均匀性对电池性能的不利影响也会增加。但是，如果可以将更厚的电极用于电池，且不影响其他因素，将有助于提高电池的储能能力。

在最初的实验中，薄电极样品的钛酸锂厚度为0.738mm，钴酸锂厚度为0.463mm，而厚电极样品的钛酸锂厚度为0.886mm，钴酸锂厚度为0.640mm。

Koenig表示：“我们的目标是研发一个模型，帮助了解如何改变电极结构，如改变材料的方向和分布，从而改善离子的传输性能。利用每个样本在不同时间点的成像，我们能够绘制出电池中锂离子分布的二维地图。未来，我们计划在中子束中旋转样本，以提供三维信息，更详细地揭示不均匀性对于锂离子传输性能的影响”。