微观缺陷使锂离子电池更好

莱斯大学的科学家表示，锂离子电池的高性能电极可以通过密切关注它们的缺陷来改善它们并加以利用。

水稻材料科学家Ming Tang和威斯康星大学麦迪逊分校的化学家Song Jin以及威斯康星大学和麻省理工学院的Linsen Li领导了一项研究，该研究结合了最先进的原位X射线光谱和建模技术深入了解电池阴极中的锂迁移。他们发现，锂离子电池的常见阴极材料，橄榄石磷酸铁锂，通过比以前想象的更大的表面积释放或吸收锂离子。

“我们知道这种材料效果很好，但仍有很多关于原因的争论，”唐说。“在很多方面，这种材料不应该那么好，但不知何故它超出了人们的期望。”

唐说，部分原因来自点缺陷 - 原子在晶格中错位 - 被称为反位缺陷。在制造过程中不可能完全消除这些缺陷。他说，事实证明，它们使真实世界的电极材料与完美的晶体表现得非常不同。

Nature Communications论文中的这一点和其他启示可能有助于制造商开发更好的锂离子电池，为全球电子设备供电。

这项研究的主要作者 - 赖斯和威斯康星州的李和麻省理工学院的同事们和他们的同事在布鲁克海文国家实验室与能源部科学家合作，使用其强大的同步加速器光源，并实时观察电池内部发生的情况充电时的材料。他们还使用计算机模拟来解释他们的观察结果。

唐说，一个启示是电极中的微观缺陷是一个特征，而不是一个缺陷。

“人们通常认为缺陷对电池材料来说是一件坏事，它们会破坏性能和性能，”他说。“随着越来越多的证据，我们意识到有适当数量的点缺陷实际上是一件好事。”

唐说，在磷酸铁锂阴极的无缺陷，完美的晶格内部，锂只能向一个方向移动。因此，据信锂嵌入反应可以仅在颗粒表面积的一小部分上发生。

但是在分析Li的X射线光谱图像时，团队发现了一个令人惊讶的发现：表面反应发生在他不完美的合成微米棒的较大一侧，这反映了理论上的预测，即由于它们与感知的运动平行，因此两侧将处于非活动状态。锂。

研究人员解释说，颗粒缺陷从根本上改变了电极的锂传输特性，使锂能够沿着多个方向跳入阴极内部。这增加了反应表面积并允许在阴极和电解质之间更有效地交换锂离子。

因为这项研究中的阴极是通过典型的合成方法制造的，Tang说，这一发现与实际应用密切相关。

“我们学到的东西改变了人们对如何优化磷酸铁锂颗粒形状的思考，”他说。“假设一维锂运动，人们倾向于认为理想的颗粒形状应该是薄板，因为它减少了锂在该方向上行进所需的距离，同时最大化了反应表面积。但是我们现在知道由于缺陷，锂可以向多个方向移动，最大化性能的设计标准肯定会有很大不同。“

Tang说，第二个令人惊讶的观察结果与阴极中的相边界移动有关，因为它是充电和放电的。

“当你从水中取出热量时，它会变成冰，”他说。“当你从这些颗粒中取出锂时，它会形成一种不同的贫锂相，就像冰一样，与最初的富锂相共存。” 相通过界面或相界分开。他说，锂的提取速度取决于相界在粒子上的移动速度。

Tang解释说，与散装材料不同，有人预测小电池颗粒的相界运动会受到表面反应速率的限制。研究人员能够为这种表面反应控制机制提供第一个具体证据，但有一个转折点。

“我们看到相界通过两种不同的机制在两个不同的方向上移动，或者由表面反应或锂体扩散控制，”他说。“这种混合机制描绘了关于电池材料中相变如何发生的更复杂的图景。因为它可以在大量电极材料中发生，这一发现对于理解电池性能至关重要，并强调了提高表面反应速率的重要性。