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研究人员发现，下一代电池材料中锂离子的不规则运动可能会降低其容量并影响其性能。
由剑桥大学领导的团队实时跟踪了锂离子在一种很有前途的新型电池材料中的运动。
人们曾假设，锂离子储存在电池材料中的机制在各个活性颗粒中是一致的。然而，剑桥领导的团队发现，在充电-放电循环期间，锂的存储绝不是均匀的。
当电池接近其放电周期结束时，活性颗粒的表面被锂饱和，而它们的核心则缺乏锂。这导致可重复使用的锂的损失和容量降低。
这项由法拉第研究所资助的研究可以帮助改进现有的电池材料，并可以加速下一代电池的开发。结果发表在《焦耳》杂志上。
电动汽车 (EV) 在向零碳经济过渡的过程中至关重要。当今道路上的大多数电动汽车都由锂离子电池供电，部分原因在于它们的高能量密度。
然而，随着电动汽车的使用越来越广泛，对更长续航里程和更快充电时间的推动意味着需要改进当前的电池材料，并需要确定新材料。
这些材料中最有前途的一些是最先进的正极材料，称为层状富锂镍氧化物，广泛用于高端电动汽车。然而，它们的工作机制，特别是实际操作条件下的锂离子传输，以及这与它们的电化学性能之间的关系，尚不完全清楚，因此我们还不能从这些材料中获得最大性能。
通过在显微镜下跟踪电池运行过程中光与活性粒子的相互作用，研究人员观察到富镍锰钴氧化物 (NMC) 在充放电循环过程中锂存储的明显差异。
“这是第一次在单个颗粒中直接观察到锂储存的这种不均匀性，”剑桥大学 Yusuf Hamied 化学系的共同第一作者 Alice Merryweather 说。“像我们这样的实时技术对于在电池循环时捕捉这一点至关重要。”
将实验观察与计算机建模相结合，研究人员发现，这种不均匀性源于充放电循环期间 NMC 中锂离子扩散速率的急剧变化。具体而言，锂离子在完全锂化的 NMC 颗粒中扩散缓慢，但一旦从这些颗粒中提取出一些锂离子，扩散就会显着增强。
“我们的模型提供了对 NMC 中锂离子扩散在充电早期变化范围的见解，”来自剑桥工程系的共同第一作者 Shrinidhi S. Pandurangi 博士说。我们的模型准确地预测了锂的分布，并捕获了实验中观察到的异质性程度。这些预测是理解其他电池退化机制（如颗粒断裂）的关键。