图示为磷酸铁锂微棒中缺锂相（蓝色）以富锂相（红色）为代价生长。莱斯大学的研究人员领导了一项研究，发现锂离子电池常用的正极材料中的缺陷可以通过使锂在比以前认为的更大的表面积上传输而提高性能。图像信用：莱斯大学中尺度材料建模小组
根据莱斯大学的科学家们的说法，锂离子电池的高性能电极可以通过更密切地关注它们的缺陷并加以利用来改进。
稻米材料科学家明堂和化学家宋金在威斯康星大学麦迪逊和林森丽在威斯康星和麻省理工学院领导了一项研究，结合最先进的，原位X射线光谱学和建模，以了解锂电池阴极传输。他们发现一种常见的锂离子电池正极材料，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，但仍有很多争论，为什么，”唐说在许多方面，这种材料本不应该那么好，但不知何故，它超出了人们的期望。”
部分原因，唐说，来自点缺陷-原子错放在晶格-被称为反位缺陷。这种缺陷在制造过程中是不可能完全消除的。他说，事实证明，它们使真实世界的电极材料的行为与完美晶体截然不同。
以及其他的启示自然通讯这篇论文可能有助于制造商开发更好的锂离子电池，为全球电子设备提供动力。
这项研究的主要作者——威斯康星州和麻省理工学院的赖斯和李的梁红以及他们的同事与布鲁克海文国家实验室的能源部科学家合作，利用其强大的同步辐射光源，实时观察电池材料充电时的内部情况。他们还利用计算机模拟来解释他们的观察结果。
唐说，其中一个启示是，电极的微观缺陷是一个特征，而不是一个缺陷。
他说：“人们通常认为缺陷对电池材料是一件坏事，它会破坏电池的性能和性能。”随着证据数量的增加，我们意识到，拥有适当数量的点缺陷实际上是一件好事。”
唐说，在无缺陷、完美的磷酸铁锂阴极晶格中，锂只能朝一个方向运动。正因为如此，人们相信嵌锂反应只能发生在粒子表面积的一小部分上。
但是，研究小组在分析李的X射线光谱图像时发现了一个惊人的发现：表面反应发生在他不完美的合成微棒的大面上，这与理论预测相反，理论预测认为这些面将是不活跃的，因为它们平行于锂的感知运动。
研究人员解释说，粒子缺陷从根本上改变了电极的锂传输特性，使锂沿着不止一个方向在阴极内跳跃。这增加了反应表面积，使得锂离子在阴极和电解液之间进行更有效的交换。
唐说，因为这项研究中的阴极是通过典型的合成方法制成的，这一发现与实际应用高度相关。
他说：“我们所学到的改变了人们对磷酸铁锂粒子形状应该如何优化的想法。”假设锂是一维运动的，人们倾向于认为理想的粒子形状应该是一个薄板，因为它减少了锂在那个方向运动所需的距离，同时使反应表面积最大化。但正如我们现在所知，锂可以向多个方向移动，这要归功于缺陷，使性能最大化的设计标准看起来肯定会大不相同。”
唐说，第二个令人惊讶的观察结果与阴极充放电时相界的移动有关。
“当你把水里的热量带走时，水就会变成冰，”他说当你从这些粒子中取出锂时，它会形成一个不同的贫锂相，像冰一样，与最初的富锂相共存。他说，锂的提取速度取决于相界穿过粒子的速度。
Tang解释说，与大块材料不同的是，有人预测，小电池颗粒中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的机制提供第一个具体的证据，但有点曲折。
他说：“我们看到相界通过两种不同的机制向两个不同的方向移动，要么受表面反应控制，要么受锂体扩散控制。”这种混合机制描绘了电池材料中如何发生相变的更为复杂的图景。因为它可以发生在大量的电极材料中，这一发现对理解电池性能至关重要，并突出了提高表面反应速率的重要性。”
申请依据：材料•先进
