逐像素分析可深入了解锂离子电池

通过挖掘X射线图像数据，麻省理工学院、斯坦福大学、SLAC国家加速器和丰田研究院的研究人员对磷酸铁锂的反应性有了重大新发现，磷酸铁锂是一种用于电动汽车电池和其他可充电电池的材料。电池。

这项新技术揭示了一些以前无法看到的现象，包括磷酸铁锂纳米颗粒不同区域的锂嵌入反应速率的变化。研究结果发表在《自然》杂志上。

该论文最重要的实际发现——反应速率的这些变化与颗粒表面碳涂层厚度的差异相关——可能会提高此类电池的充电和放电效率。

“我们从这项研究中了解到，真正控制电池动力学的是界面，特别是在当今由活性材料纳米粒子制成的现代电池中。这意味着我们的重点应该真正放在设计该界面上，”马丁说Bazant是麻省理工学院EGRoos化学工程教授和数学教授，也是该研究的资深作者。

这种发现图像中复杂模式背后的物理原理的方法也可用于深入了解许多其他材料，不仅包括其他类型的电池，还包括生物系统，例如发育中胚胎中分裂的细胞。

“我发现这项工作最令人兴奋的是能够拍摄正在形成某种模式的系统的图像，并学习控制该模式的原理，”巴赞特说。

赵洪波博士是这项新研究的主要作者，他曾是麻省理工学院的研究生，现在是普林斯顿大学的博士后。其他作者包括麻省理工学院化学工程埃德温·R·吉利兰教授理查德·布拉茨(RichardBratz);WilliamChueh，斯坦福大学材料科学与工程副教授、SLAC-斯坦福电池中心主任;以及丰田研究院能源与材料部高级主任BrianStorey。

Chueh说：“到目前为止，我们可以制作这些工作中的电池纳米粒子的美丽X射线电影，但测量和理解它们如何运作的微妙细节具有挑战性，因为这些电影信息非常丰富。”“通过将图像学习应用于这些纳米级电影，我们获得了以前不可能的见解。”

反应速率建模

磷酸铁锂电池电极由许多微小的磷酸铁锂颗粒组成，周围环绕着电解质溶液。典型的颗粒直径约为1微米，厚度约为100纳米。当电池放电时，锂离子通过称为离子嵌入的电化学反应从电解质溶液流入材料中。当电池充电时，嵌入反应发生逆转，离子沿相反方向流动。

“磷酸铁锂(LFP)是一种重要的电池材料，因为它成本低廉、安全记录良好且使用丰富的元素，”斯托里说。“我们看到LFP在电动汽车市场上的使用有所增加，因此这项研究的时机再好不过了。”

在当前的研究之前，Bazant已经对锂离子嵌入形成的图案进行了大量的理论建模。磷酸铁锂更喜欢以两种稳定相之一存在：充满锂离子或空相。

自2005年以来，Bazant一直致力于研究这种现象的数学模型，即相分离，它会产生由插层反应驱动的独特的锂离子流模式。2015年，在斯坦福大学休假期间，他开始与Chueh合作，尝试通过扫描隧道X射线显微镜解读磷酸铁锂颗粒的图像。

使用这种类型的显微镜，研究人员可以获得图像，逐个像素地显示颗粒中每个点的锂离子浓度。他们可以在粒子充电或放电时多次扫描粒子，从而制作出锂离子如何流入和流出粒子的视频。

通过分析63个磷酸铁锂颗粒充电和放电时的X射线图像，研究人员发现材料内锂离子的运动几乎与Bazant之前创建的计算机模拟相同。研究人员使用全部180,000个像素作为测量值，训练计算模型以生成准确描述电池材料的非平衡热力学和反应动力学的方程。

“其中的每个小像素都从满跳到空，从满跳到空。我们正在绘制整个过程，使用我们的方程来了解这是如何发生的，”巴赞特说。

研究人员还发现，他们观察到的锂离子流动模式可以揭示颗粒表面每个位置吸收锂离子的速率的空间变化。

“让我们感到非常惊讶的是，我们只需查看图像就可以了解系统中的异质性(在本例中为表面反应速率的变化)，”Bazant说。“有些地区似乎速度很快，而另一些地区则似乎很慢。”

此外，研究人员表明，反应速率的这些差异与磷酸铁锂颗粒表面碳涂层的厚度相关。这种碳涂层应用于磷酸铁锂，以帮助其导电，否则该材料的导电速度会太慢，无法用作电池。

“我们在纳米尺度上发现，碳涂层厚度的变化直接控制速率，如果没有所有这些建模和图像分析，你永远无法弄清楚这一点，”巴赞特说。

这些发现还为Bazant几年前提出的假设提供了定量支持：磷酸铁锂电极的性能主要受到固体颗粒和碳涂层之间界面处耦合离子电子转移速率的限制，而不是锂离子在固体中的扩散速率。

优化材料

研究人员表示，这项研究的结果表明，优化电极表面碳层的厚度可以帮助研究人员设计出工作效率更高的电池。

“这是第一项能够直接将电池材料的属性与涂层的物理属性归因的研究，”巴赞特说。“优化和设计电池的重点应该是控制电解质和电极界面的反应动力学。”

“这本出版物是六年奉献和合作的结晶，”斯托里说。“这项技术使我们能够以一种以前不可能的方式解锁电池的内部工作原理。我们的下一个目标是通过应用这种新的理解来改进电池设计。”

除了在其他电池材料上使用这种类型的分析之外，Bazant预计它还可用于研究其他化学和生物系统中的模式形成。

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