锂的狭窄路径限制了电池
莱斯大学的研究表明，典型阴极中不对齐的颗粒之间的应力限制了流动。
如果你能缩小到足以在锂电池电极上进行一次奇妙的航行，你会发现每个尺度上的电荷水平都是高度不均匀的。
这对电池的健康没有好处。莱斯大学(Rice University)的研究人员认识到这一问题，他们与美国能源部(Department of Energy)合作，详细研究了电极中的各种颗粒在使用过程中如何与锂相互作用。
具体来说，材料科学家唐明(Ming Tang)的Rice实验室通过布鲁克海文国家实验室和阿贡国家实验室的透射x射线显微镜能力提供的建模和成像，分析了磷酸铁锂阴极内纳米和微尺度的相互作用。
在普通的磷酸铁锂(LFP)电池电极中，一个凝聚颗粒的相位图显示了从4%到86%的电荷分布。FP指的是磷酸铁。莱斯大学的科学家们发现，在充电时，FP相不均匀地分布在聚集体表面，而不是预期的锂均匀分布在表面。比例尺是10微米。由中尺度材料科学小组提供
他们发表在美国化学学会杂志ACS Energy Letters上的论文支持了Tang和他的同事几年前形成的理论，即锂在典型商业阴极的动态环境中是如何移动的。
能够在布鲁克海文观察密封阴极充放电提供了绝对的证据。
材料科学和纳米工程副教授Tang说:“电池有很多颗粒聚集物，它们会吸收和释放锂，我们想知道它们的表面发生了什么，反应有多均匀。”“一般来说，我们总是希望反应更均匀，这样我们就能更快地给电池充电。”
在布鲁克海文强大的x射线同步加速器拍摄的图像中，研究人员发现阴极内部的某些区域比其他区域吸收得更好。在3D中观察单个或聚集的粒子的能力表明，锂不是在整个表面发生反应，而是偏爱特定的区域。
“这与传统观念非常不同，”唐说。“最有趣的观察是，这些反应区域的形状像一维细丝，横亘在这些聚集粒子的表面上。这有点奇怪，但它符合我们在模型中看到的情况。”
他说，颗粒团聚体中不对齐的晶体之间的应力阻止锂均匀地插入或从团聚体表面提取，因为这会产生太大的能量损失。相反，锂被迫流入或流出聚集物的“热点”，形成灯丝形状。
莱斯大学材料科学家的一项研究表明，锂电池将受益于多孔的二次(团聚)颗粒，这些颗粒具有更好的排列，不会限制锂的分布。科学家们研究了循环电池电极的3D透射x射线图像，以分析构成电极的粒子团表面磷酸铁锂(蓝色)和磷酸铁(红色)之间的相变。由中尺度材料科学小组提供
唐说，锂丝看起来像厚纳米管，几百纳米宽，几微米长。
这对电池性能意味着什么?
“这是件坏事，”唐说。“因为锂不能均匀地进入阴极，它减慢了插层力学。
“我们的研究提供了一些潜在的方法来帮助锂在这些聚集物或单个颗粒上的插入或提取更加均匀，”他说。“在粒子团聚体中引入一些孔隙度可能会牺牲一些能量密度，但同时会让锂更均匀地进入。这可以让你在给定的充放电率下获得更多的能量。
“另一个想法是，如果我们能以某种方式调整这些小颗粒的方向，使它们的最大膨胀相互垂直，它们将更好地适应锂嵌入，”他说。
他承认，这对电池制造商来说将是一个挑战。
“我们在合成方面没有足够的经验，不知道如何实现这一点，”唐说。“我们提供的是诱饵。看看会不会有人咬。”
-由Chris Vavra编辑，网页内容经理，控制工程， CFE媒体与技术，cvavra@cfemedia.com．
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