持续寻求更耐用、更高效的电池对于许多技术的进步至关重要，特别是电动汽车（EV）。麻省理工学院（MIT）最近牵头的一项研究计划可能解开了另一块谜题，揭示了锂离子电池行为的复杂性。

放大电池图像研究电池反应

    这项合作研究也涉及斯坦福大学、SLAC国家加速器和丰田研究所，对X射线图像进行了细致的逐像素分析。这种方法用于了解磷酸铁锂的反应表现，磷酸铁锂是为我们的许多电动汽车和其他可充电设备供电的电池中的关键材料。

    高分辨率技术揭示了以前从未见过的很多现象。例如，它确定了磷酸铁纳米颗粒不同区域的锂插入反应的变化。

电池性能的两种约束理论：

    一种理论认为，磷酸铁锂（LFP）电极的性能主要受制于离子和电子在电极材料与碳涂层相遇的边界或界面的传输速率（离子-电子传输速率）。

    另一种理论认为，电池性能受到锂离子通过固体电极材料本身移动或“扩散”的速度（锂离子扩散率）的限制。

    MIT的这项提供了证据支持了第一种理论，即与碳涂层界面的离子电子传输速率是LFP电极性能的主要瓶颈。换句话说，限制因素不是锂离子在固体电极材料中移动的速度，而是它们在电极与碳涂层相遇的边界之间移动的效率。

    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。该研究观察到了磷酸铁锂纳米颗粒不同区域的锂插入反应速率的变化。这些反应速率的变化与颗粒表面碳涂层厚度的差异相关——可能导致此类电池充电和放电效率的提高。认识到这一点的潜在影响，研究人员推断，优化这种关系可以大大提高电池充电和放电的效率。

了解碳涂层的作用

    要理解这一潜在的突破，首先必须了解锂离子电池的基本工作原理。其操作的核心是锂离子在主电极阳极和阴极之间的运动。这种运动允许能量的储存和释放。

    该研究的主要启示集中在磷酸铁锂电极与碳涂层相遇的界面上。这表明，在这个界面上离子和电子转移的效率在很大程度上决定了电池的性能。

    调整碳涂层的技术细节很复杂，但可以大致分为三个方向：

1.碳涂层的属性：

- 孔隙度：可以影响离子-电子传输速率，优化离子的运动。

- 厚度：影响离子-电子传输速率，需要仔细平衡。

- 结构：无论是石墨还是无定形碳，都可以改变导电性，影响性能。

2. 涂敷方法：

- 沉积技术，如化学气相沉积（CVD），可以产生均匀的涂层。

- 热处理，如退火，可能会改变涂层的性能。

- 表面准备，确保碳涂层的高效附着力和质量。

3. 引入新材料：

- 电导聚合物和金属纳米颗粒可以提高导电性。

- 掺杂，如硼或氮，可以增加电子电导率。

- 混合涂料，可能会提供不同材料的综合优势。

影响和前景

    这项研究的影响是深远的。根据这项研究，电池公司现在可以立即采取措施。重点应转向调整碳涂层的特性，并探索创新的涂敷技术。这些策略可以改善电极-电解质界面的反应动力学，从而使电池充电更快，使用寿命更长。

    此外，通过将各种材料集成到碳涂层中，制造商可以提高其电子导电性。引入导电聚合物或金属纳米颗粒可能会彻底改变界面，从而实现显著的性能提升。

    鉴于电动汽车发展势不可挡，以及对高效、耐用电池的需求不断增加，这项由麻省理工学院领导的研究的时机再关键不过了。由于其成本效益和安全记录，磷酸铁锂是电动汽车市场的首选，这项研究的见解有可能帮助制造出性能更加优良的磷酸铁锂电池。

论文：Martin Bazant, Learning heterogeneous reaction kinetics from X-ray videos pixel by pixel, Nature (2023).