科学家探索将锂离子电池推进得太远的危险[视频]

左图，莱斯大学材料科学家的3D模型显示了脱锂磷酸铁锂阴极快速放电时的相界。右侧的横截面显示了磷酸铁（蓝色）和锂（红色）之间的“手指状”边界。赖斯工程师发现，太多旨在使电池更好的故意缺陷实际上会降低其性能和耐用性。

电池中的故意缺陷使莱斯大学的科学家得以了解将锂离子电池推得太远的危害。

赖斯材料科学家唐明（Ming Tang）和研究生杨凯琪（Kaiqi Yang）进行的新模拟（在材料化学杂志A上进行了详细介绍）显示，广泛使用的磷酸铁锂正极中的应力过大，会打开裂纹并迅速使电池退化。

这项工作扩展了赖斯最近的研究，该研究证明了在构成阴极的颗粒中放置缺陷如何通过帮助锂更有效地移动将电池性能提高多达两个数量级。

赖斯大学材料科学家的3D模型显示了经历快速放电的脱锂磷酸铁锂阴极的相演化。研究人员怀疑这种“手指状”的形状会给系统增加压力，研究人员怀疑这会导致阴极破裂，从而使电池退化。

但是实验室随后的建模研究表明了一个警告。在快速充电和放电的压力下，负载缺陷的阴极有破裂的风险。

赖斯布朗工程学院材料科学和纳米工程学助理教授唐说：“传统的情况是，锂均匀地进入阴极，富锂区域平滑地扩展到阴极的中心。”

但是在另一个实验室拍摄的X射线图像却显示了其他东西。他说：“他们看到了富锂区和贫锂区之间的手指状边界，就像将水注入油中一样。”“我们的问题是，这是什么原因造成的？”

水稻研究生杨开启（左）和材料科学家唐明（Ming Tang）确定，某些有意缺陷的锂离子电池的快速充电和放电会降低其性能和耐久性。

唐说，问题的根源似乎在于压力破坏了最初平坦的边界并使之变得波浪形。边界形状的变化进一步增加了应力水平并触发了裂纹的形成。Tang研究小组的研究表明，这种不稳定性可以通过电池混合物中一种常见的缺陷类型（称为反位点）来增加，该缺陷中的铁原子占据了晶体中应有锂原子的斑点。

Tang说：“抗静电剂可以是一件好事，正如我们在上一篇文章中所展示的那样，因为它们可以加速锂的嵌入动力学，但是在这里我们显示出了反作用：粒子中的太多反位点会促使移动的界面变得不稳定，从而产生更大的压力。”

Tang认为，阴极上存在许多反位点是一个甜蜜点：足以增强性能，但很少会增加不稳定性。他说：“您希望有适当水平的缺陷，并且需要一些反复试验才能找出如何通过对颗粒进行退火达到正确量的方法。”“我们认为我们的新预测可能对实验家有用。”

参考：“磷酸铁锂中的三维相演化和应力诱导的锂非均匀插层行为”，作者：Kaiqi Yanga和Ming Ming，2019年12月19日，材料化学学报A.DOI：
10.1039 / C9TA11697D

美国能源部（DOE）支持了这项研究。仿真是在德克萨斯大学德克萨斯高级计算中心和美国能源部国家能源研究科学计算中心的超级计算机上进行的。