检测到锂离子电池中的休眠容量储备
磷酸铁锂是电动汽车、固定式储能系统和工具电池中最重要的材料之一。它使用寿命长、价格相对便宜且不易自燃。能量密度也在不断提高。然而，专家们仍然不明白为什么磷酸铁锂电池在实际应用中会比理论储电量低 25%。为了利用这种休眠容量储备，必须准确了解在充电和放电循环过程中锂离子在电池材料中的存储位置和释放方式。
格拉茨技术大学 (TU Graz) 的研究人员现在朝这个方向迈出了重要一步。他们利用透射电子显微镜系统地追踪锂离子穿过电池材料的过程，以前所未有的分辨率绘制出它们在磷酸铁阴极晶格中的排列情况，并精确量化它们在晶体中的分布。
他们的研究成果发表在《先进能源材料》杂志上。
进一步提高电池容量的关键线索
“我们的调查显示，即使测试电池充满电，锂离子仍会留在阴极的晶格中，而不是迁移到阳极。这些不动的离子会降低容量，”格拉茨技术大学电子显微镜和纳米分析研究所的 Daniel Knez 说道。
无法移动的锂离子在阴极中分布不均匀，研究人员成功精确地确定了这些锂富集程度不同的区域，并将它们之间的距离缩小到几纳米。
在过渡区域的阴极晶格中发现了扭曲和变形。
密切参与这项研究的材料化学与技术研究所的 Ilie Hanzu 表示：“这些细节提供了有关迄今为止抵消电池效率的物理效应的重要信息，我们可以在进一步开发材料时考虑到这些效应。”
该方法也可转移到其他电池材料
为了进行研究，研究人员从充电和放电电池的电极中准备了材料样本，并在格拉茨技术大学的原子分辨率 ASTEM 显微镜下对其进行了分析。他们将电子能量损失光谱与电子衍射测量和原子级成像相结合。
“通过结合不同的检查方法，我们能够确定锂在晶体通道中的位置以及它如何到达那里，”该论文的第一作者、电子显微镜和纳米分析研究所的 Nikola Šimić 解释道。
“我们开发的方法和获得的有关离子扩散的知识只需进行微小的调整就可以转移到其他电池材料上，以便更精确地表征它们并进一步开发它们。”
更多信息： Nikola Šimić 等人，通过原子级分析磷酸铁锂中的相变和离子传输来阐明锂离子电池中的插入和提取过程，先进能源材料(2024)。DOI ：10.1002/aenm.202304381
期刊信息： 先进能源材料
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