研究人员揭示了为什么磷酸铁锂如此有效

理解磷酸铁锂

富锂和贫锂区域倾向于在磷酸铁锂颗粒内部形成条带。

这项研究花了五年时间,但是麻省理工学院现在对磷酸铁锂的行为有了更好的了解。通过研究材料在使用过程中的变化及其随时间变化的特性,研究人员能够更好地了解其性能。他们发现,在较高的电流水平下,“相分离”不会发生,每个粒子都会一次吸收锂。

自15年前被发现以来,磷酸铁锂(LiFePO4)由于其稳定性、耐久性、安全性和一次性提供大量电力的能力,已成为最有前途的可充电电池材料之一。它一直是世界各地重大研究项目的焦点,是从电动工具到电动汽车等各个领域的领先技术。但是,尽管人们对此有着广泛的兴趣,磷酸铁锂不寻常的充电和放电特性的原因仍然不清楚。


在磷酸铁锂颗粒内部,该材料分为富锂带和贫锂带。但是麻省理工学院的研究小组发现,当在足够高的电流水平下充电时,这种分离永远不会发生。

现在,麻省理工学院化学工程和数学副教授Martin Z。Bazant提供了令人惊讶的新结果,表明这种材料的行为与人们想象的大不相同,这有助于解释其性能,并可能为发现更有效的电池材料打开了大门。

对磷酸铁锂的行为的新见解是详细本周刊登在《华尔街日报》上美国化学会纳米,由巴赞特和博士后丹尼尔·科格斯韦尔撰写。本论文是本文的延伸他们去年底报告的研究在杂志上纳米字母.

当磷酸铁锂首次被发现时,人们认为它只适用于低功率应用。随后,包括麻省理工学院(MIT)的京瓷陶瓷教授蒋明明(音译)在内的研究人员的最新研究表明,以纳米颗粒形式使用纳米材料可以显著提高其功率容量,这一方法使其成为高功率应用的最佳材料之一。

但Lifepo纳米粒子的原因4.效果如此之好,仍然令人难以捉摸。人们普遍认为,在充电或放电时,大块材料会分离成不同的相,锂的浓度也非常不同;人们认为,这种相分离限制了材料的功率容量。但新的研究表明,在许多现实条件下,这种分离从未发生过。

巴赞特的理论预测,在临界电流以上,反应速度如此之快,以至于材料失去了在较低功率水平下发生相分离的趋势。就在临界电流以下,材料通过一个新的“准固溶体”状态,在那里它“没有时间完成相分离”,他说。他说,这些特性有助于解释为什么这种材料对充电电池如此有用。

巴赞特解释说,这些发现是理论分析、计算机建模和实验室实验相结合的结果,这是一种跨学科的方法,反映了他自己在麻省理工学院化学工程和数学系的联合任命。

以前对这种材料的分析只在一个时间点检查其行为,而忽略了其行为的动力学。但是Bazant和Cogswell研究了这种材料在使用过程中是如何变化的,无论是在给电池充电还是放电的过程中,随着时间的推移,其变化的特性对于理解其性能至关重要。

巴赞特说:“这以前从未做过。”。他补充说,他们发现的是一个全新的现象,这对于理解许多电池材料的性能可能很重要——这意味着即使磷酸铁锂最终被抛弃,取而代之的是其他新材料,这项工作也可能意义重大。

研究人员曾认为,锂从外到内逐渐渗入粒子,从而在中心产生一个由贫锂材料构成的收缩核心。麻省理工学院的研究小组发现了完全不同的情况:在低电流下,锂在每个粒子内形成了平行的富集物质带,这些带在粒子充电时穿过粒子。但在较高的电流水平下,无论是在带内还是在层内,都没有分离;相反,每个粒子一次就吸收了锂,几乎在瞬间从贫锂转变为富锂。

新发现也有助于解释磷酸铁锂的耐用性。当存在不同阶段的条纹时,这些条纹之间的边界是应变的源极,其可能导致性能裂缝和逐渐降解。但是当整个材料立刻发生变化时,没有这样的边界,从而降低劣化。

巴赞特说,这是一个不寻常的发现:“通常情况下,如果你做得更快,你会造成更大的伤害,但在这种情况下,情况正好相反。”同样,他和科格斯韦尔预测,在稍高的温度下操作实际上会使材料寿命更长,这与典型的材料行为背道而驰。

除了看到材料如何随时间变化,了解它如何涉及在其他没有检查的尺度上的材料看起来的材料:虽然在原子和分子的水平上进行了太多的分析,但事实证明关键现象可以只有在纳米颗粒本身的规模中才能看到,义体说 - 数千次更大。“这是一个依赖依赖的效果,”他说。

麻省理工学院材料科学教授格布兰德·塞德(Gerbrand Ceder)去年在高电流水平下观察并记录了磷酸铁锂的行为;现在,巴赞特的理论分析不仅可以使人们更广泛地了解这种材料,还可以使人们更广泛地了解可能发生类似变化的其他材料。

澳大利亚昆士兰科技大学数学系副教授Troy Farrell没有参与这项研究,他说这些发现对于那些从事锂电池研究的人来说意义重大。他补充说,这一新的认识“使材料科学家能够开发出新的结构和化合物,最终生产出寿命更长、能量密度更高的电池。如果要将电池技术应用于电动汽车等大功率应用中,这是必需的。”

Bazant说,理解磷酸铁锂为何如此有效是“我遇到的最有趣的科学难题之一”花了五年时间才弄明白这一点。”

图片:巴赞特实验室

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