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麻省理工学院研究人员的新观察揭示了一种广泛用于锂离子电池的电极的内部工作原理。研究人员说，这些新研究结果解释了这种电池出乎意料的高功率和长循环寿命。

研究结果发表在由麻省理工学院博士后Jun Jie Niu，研究科学家Akihiro Kushima，Chiang-Ming Chiang和Ju Li教授以及其他三人共同撰写的纳米快报杂志上。

研究的电极材料磷酸铁锂(LiFePO4)被认为是锂基可充电电池特别有前途的材料; 它已经在从电动工具到电动汽车到大规模电网存储的应用中得到了证明。麻省理工学院的研究人员发现，在这个电极内部，在充电过程中，固体溶液区(SSZ)形成在富锂区和锂耗尽区之间 - 充电活动集中的区域，因为锂离子被拉出电极。

李说这个SSZ“理论上已经预测存在，但我们第一次直接看到它”，在充电过程中拍摄的透射电子显微镜(TEM)视频中。

这些观察有助于解决关于LiFePO4的长期难题：在块状晶体形式中，磷酸铁锂和磷酸铁(FePO4，其在锂离子在充电期间迁移出材料时留下)具有非常差的离子和电导率。然而，当用掺杂和碳涂层处理并用作电池中的纳米颗粒时，该材料表现出令人印象深刻的高充电速率。“当首次证明这种[快速充电和放电率]时，这是非常令人惊讶的，”李说。

“我们直接观察到亚稳态随机固溶体可以解决这个多年来一直引起[材料科学家]兴趣的基本问题，”巴特尔能源联盟核科学与工程教授，材料科学与工程教授李说。

SSZ是“亚稳态”状态，在室温下持续至少几分钟。更换LiFePO4和FePO4之间的尖锐界面，其已被证明包含许多称为“位错”的额外线缺陷，SSZ用作缓冲剂，减少了否则随电化学反应前沿移动的位错数量。“我们没有看到任何错位，”李说。这可能很重要，因为位错的产生和存储会引起疲劳并限制电极的循环寿命。

与传统的TEM成像不同，Kushima和Li在2010年开发的这项工作中使用的技术使得可以在充电和放电时观察电池组件，这可以揭示动态过程。“在过去的四年中，使用这种原位TEM技术研究电池操作已经出现了大爆炸，”Li说。

Li说，更好地理解这些动态过程可以通过更好地调整其特性来改善电极材料的性能。

尽管目前尚未完全理解，但锂铁磷酸盐纳米粒子已经在工业规模上用于锂离子电池，Li解释说。“科学落后于应用，”他说。“它已经在市场上扩大规模并取得了相当大的成功。这是纳米技术的成功案例之一。”

“与传统的锂离子相比，[磷酸铁锂]环保且非常稳定，”Niu说。“但对这种材料的理解很重要。”

虽然SSZ的发现是在LiFePO4中发现的，但Li说，“同样的原理可能适用于其他电极材料。人们正在寻找高功率电极材料，这种亚稳态可能存在于其它散装惰性的电极材料中形式......发现的现象可能非常普遍，并不是特定于这种材料。