鋰離子在電極中的運動方式有利于設計充放電速度更快

　　到2023年，全球鋰離子電池市值有望達到470億美元。由于鋰離子電池具高能量密度(存儲容量)、工作電壓較高、保質期較長，而且“存儲效應”(由于在之前的使用中電池沒有完全放電，因而可充電電池的最大容量降低)較小。但是，安全性、充放電循環和使用壽命等因素一直制約著鋰離子電池用于電動汽車等重負荷應用。

　　弗吉尼亞大學工程學院(the University of Virginia School of Engineering)的研究人員正在美國橡樹嶺國家實驗室(Oak Ridge National Laboratory)利用中子成像技術探測鋰離子電池，并對電池材料和結構的電化學特性進行深入研究。研究的重點是利用鈦酸鋰和鈷酸鋰這兩種電活性材料的薄層和厚層燒結樣品，追蹤鋰離子電池電極的鋰化和脫鋰(即充放電)過程。

　　了解鋰在電池電極中的運動方式，對于設計能夠以更快速度進行充放電的電池非常重要，改善鋰在電極中的運動可以使電池的充電速度更快。

　　弗吉尼亞大學工程學院化學工程副教授Gary Koenig表示：“如果電極相對較厚，鋰離子通過多孔材料和隔膜結構進行傳輸可以限制充放電速率。為了研發提高鋰離子在充滿電解質的電極多孔空隙區域的輸運性能的方法，我們首先需要能夠跟蹤電池在充放電過程中離子的傳輸和分布。”

　　Koenig表示，高分辨X射線衍射等其他方法可以提供電化學過程中的詳細結構數據，但是該方法通常會使材料的平均體積變大。同樣地，x射線相位成像技術可以顯示電池電解質中的含鹽濃度，但是該技術只能用于特殊的光譜化學電池，而且只能獲取電極區域間的成分信息。

　　為了獲取更多詳細信息，研究人員利用中子，在橡樹嶺國家實驗室高通量同位素反應堆(High Flux Isotope Reactor)的冷中子成像束線上進行了研究。

　　比較鋰離子電池薄電極和厚電極的鋰化過程，對于理解不均勻性(機械、結構、傳輸和動力學特性的局部變化)對電池壽命和性能的影響至關重要。局部不均也會導致電池電流、溫度、充電狀態和老化的不均。一般來說，隨著電極厚度的增加，不均勻性對電池性能的不利影響也會增加。但是，如果可以將更厚的電極用于電池，且不影響其他因素，將有助于提高電池的儲能能力。

　　在最初的實驗中，薄電極樣品的鈦酸鋰厚度為0.738 mm，鈷酸鋰厚度為0.463 mm，而厚電極樣品的鈦酸鋰厚度為0.886 mm，鈷酸鋰厚度為0.640 mm。

　　Koenig表示：“我們的目標是研發一個模型，幫助了解如何改變電極結構，如改變材料的方向和分布，從而改善離子的傳輸性能。利用每個樣本在不同時間點的成像，我們能夠繪制出電池中鋰離子分布的二維地圖。未來，我們計劃在中子束中旋轉樣本，以提供三維信息，更詳細地揭示不均勻性對于鋰離子傳輸性能的影響”。