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世界百事通！研究人员实时观察锂离子的运动状况以提高电动汽车电池材料的性能

来源：盖世汽车时间：2022-10-18 15:27:03

(资料图片)

研究人员发现，在下一代电池材料中，锂离子的不规则运动可能降低电池容量，并影响性能。据外媒报道，在剑桥大学（University of Cambridge）研究人员的领导下，该团队在富有前景的新型电池材料中实时跟踪了锂离子的运动状况。

以往有观点认为，在电池材料中，单个活性粒子中的锂离子存储机制是均匀的。然而，在此项研究中，研究人员发现，在充放电循环中锂的存储并不均匀。当电池的放电循环快要结束时，活性粒子的表面达到锂饱和，其核心则缺乏锂。这会导致可重复使用的锂减少，以及电池容量下降。

锂离子电池具有高能量密度，广泛应用于电动汽车。然而，出于对更长续航里程和更快充电时间的需求，需要改进目前的电池材料，以及找到新的材料。这项研究将有助于改善现有电池材料，并加速开发下一代电池。

目前，作为领先的正极材料，层状富镍锂氧化物广泛应用于高端电动汽车。然而，其运行机制，尤其是在实际操作环境中的锂离子传输，以及这与其电化学性能之间的联系，尚未完全明了。因此，这些材料还无法充分发挥其性能潜力。

在电池运行过程中，通过显微镜跟踪光与活性粒子的相互作用。研究人员发现，在充放电循环过程中，富镍锰钴氧化物（NMC）中的锂存储存在明显差异。剑桥大学化学系的研究人员Alice Merryweather表示：“这是首次在单个粒子直接观察到不均匀的锂存储。这类实时技术发挥了重要作用，因此可以在电池循环期间获得新发现。”

研究人员结合实验观察与计算机建模发现，这种不均匀性来源于充放电循环期间NMC中的锂扩散速度发生了巨大变化。具体地说，锂离子在完全锂化的NMC颗粒中扩散缓慢。然而，一旦从这些颗粒中提取一些锂离子，扩散速度就会明显加快。剑桥大学工程学系的Shrinidhi Pandurangi博士表示：“通过这种模型，可以了解在充电早期阶段锂离子在NMC中的扩散变化范围。该模型可准确地预测锂分布，并获得在实验中观察到的非均匀性的程度。这些预测结果非常关键，有助于了解其他电池的退化机制，比如粒子断裂。”

在第一次充放电循环后，富镍正极材料通常会损失约10%的容量。在放电结束时观测到的非均匀性锂，提供了其中的原因之一。该研究的第一作者之一、上海科技大学（ShanghaiTech University）的徐超博士在剑桥大学期间完成了这项研究。他表示：“这一发现具有重要意义。因为判断电池是否应该退役的一个行业标准是，电池容量下降20%。”

关键词：剑桥大学锂离子运动富镍锰钴氧化物电池材料