普通磷酸铁锂(LFP)电池电极中聚集颗粒的相图显示了从4%到86%的电荷分布。FP指的是磷酸铁。莱斯大学的科学家发现，充电时，FP相在骨料表面上不均匀地扩散，而不是预期的锂在表面上的均匀扩散。比例尺为10微米。鸣谢:莱斯大学中尺度材料科学小组如果你能缩小到足够大的尺寸，在锂电池电极上进行一次奇妙的航行，你会看到每个尺度上的电荷水平都非常不均匀。这对电池的健康不利。认识到这个问题的莱斯大学研究人员与能源部合作，详细观察电极中的各种粒子在使用过程中如何与锂相互作用。
具体来说，材料科学家唐明的莱斯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的纳米和微米级相互作用。
他们在美国化学学会期刊ACS Energy Letters上发表的论文支持了唐和他的同事几年前形成的理论，该理论预见了锂如何在典型的商用阴极内的动态环境中运动。
能够在布鲁克海文观察密封的阴极充电和放电提供了绝对的证据。
“电池有许多吸收和释放锂的颗粒聚集体，我们想知道它们的表面发生了什么，反应有多均匀，”材料科学和纳米工程副教授唐说。“总的来说，我们总是希望反应更加一致，这样我们才能更快地给电池充电。”
莱斯大学材料科学家的一项研究表明，锂电池将受益于更多的多孔二次(团聚)颗粒，这些颗粒具有更好的排列微晶，不会限制锂的分布。科学家们研究了循环电池y电极的3D透射X射线图像，以分析组成电极的颗粒聚集体表面上磷酸铁锂(蓝色)和磷酸铁(红色)之间的相变。鸣谢:介观材料科学小组/莱斯大学在布鲁克海文强大的X射线同步加速器拍摄的图像中，研究人员看到阴极内部的一些区域比其他区域吸收更好。在3D中观察单个或聚集颗粒的能力表明，锂不是在它们的整个表面上反应，而是偏爱特定的区域。
“这与传统观点大相径庭，”唐说。“最有趣的观察结果是，这些反应区域的形状像一维细丝一样，横跨se聚集粒子的表面。这有点奇怪，但它符合我们在模型中看到的情况。”
唐说，锂丝看起来像厚纳米管，宽几百纳米，长几微米。
磷酸铁锂阴极中相图次级(聚集)粒子的动画gif。鸣谢:莱斯大学中尺度材料科学小组何说，颗粒聚集体中未对齐的微晶之间的应力会阻止锂均匀地嵌入或脱出聚集体表面，因为这将产生太大的能量损失。相反，锂被迫在形成细丝形状的“热点”流入或流出聚集体。
这对电池性能意味着什么？
“这是一件坏事，”唐说。“因为锂不能均匀地进入阴极，所以会减缓嵌入机制。
“我们的研究提供了一些潜在的方法，有助于使这些聚集体或单个粒子上的锂嵌入或提取更加均匀，”他说。“在颗粒聚集体中引入一些孔隙可能会牺牲一些能量密度，但同时会使锂更均匀地进入。这可以让你在给定的充电/放电速率下获得更多的能量。
磷酸铁锂阴极中相映射次级(聚集)粒子的动画GIF。他说:“另一个想法是，如果我们能够以某种方式排列这些小颗粒的方向，使它们的最大膨胀垂直于彼此，它们将更好地适应锂嵌入。”
他承认，这对电池制造商来说是一个挑战。
“我们没有足够的合成经验来知道如何实现这一点，”唐说。“我们提供的是诱饵。让我们看看是否有人咬。”
莱斯大学的校友和杨是这篇论文的合著者。合著者是纽约厄普顿布鲁克海文国家实验室的葛明远、王家军、、Xianghi Xiao和Wah-Keat Lee；和上海交通大学的李林森。
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