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

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ShrinidhiPandurangi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(Shanghai Tech 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%。”

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