EV电池容量和寿命突破有望？剑桥科学家发现性能下降的新秘密

英国剑桥大学的研究人员近日发现，锂离子的不规则运动可能会阻碍下一代电池材料的性能和容量。他们通过实时监测锂离子在一种潜在的新电池材料中的流动情况，有望找到提高电动车电池充放电性能的新方法。

以前人们认为，锂离子储存在电池材料中的机制对于每个活性粒子来说都是统一的。然而，剑桥大学领导的研究发现，锂的储存在充放电周期中是不均匀的。

当电池放电周期接近尾声时，活性粒子的表面锂饱和，而其核心锂缺乏。这会导致容量降低和可重复使用的锂的损失。该研究可能有助于现有电池材料的进步，并加速下一代电池的发明。研究结果已于近期发表在了《焦耳》杂志上。

为了向零碳经济转型，发展电动汽车(EV)至关重要。由于其巨大的能量密度，锂离子电池为目前道路上的大多数电动汽车提供动力。然而，随着电动车使用量的增加，对更长续航里程和更快充电时间的要求，需要改进现有的电池材料，并发现新的材料。

这些材料中最有前途的是被称为层状富镍锂氧化物的最先进的正极材料，广泛用于高级电动汽车。然而，它们的工作机制，特别是在实际操作条件下的锂离子传输，以及这与电化学性能之间的联系尚不完全清楚，因此我们还不能从这些材料中获得最大性能。

在最新研究中，通过在显微镜下跟踪电池运行过程中光与活性颗粒的相互作用，剑桥大学的研究人员观察到富镍锰钴氧化物(NMC)在充放电循环中的锂存储存在明显差异。

“这是第一次在单个颗粒中直接观察到锂存储的这种不均匀性，”来自剑桥大学优素福-哈米德化学系的共同第一作者Alice Merryweather说，“像我们这样的实时技术对于在电池循环时捕捉这种情况是至关重要的。”

将实验观测与计算机建模相结合，研究人员发现这种不均匀性源于充放电循环期间锂离子在NMC中扩散速率的剧烈变化。具体而言，锂离子在完全锂化的NMC颗粒中扩散缓慢，但一旦从这些颗粒中提取一些锂离子，扩散就会显著增强。

更重要的是，在放电结束时看到的锂的异质性确定了富镍正极材料在第一次充放电循环后通常会损失大约10%的容量的原因之一。研究人员表示：“这很重要，因为确定电池是否应该退役的一个行业标准就是它大约失去了20%的容量。”

通过这项最新研究，科学家们将有望寻求新的方法来提高这些有前途的电池材料的实际能量密度和寿命。