逐像素分析可深入了解锂离子电池

通过从X射线图像中挖掘数据，麻省理工学院，斯坦福大学，SLAC国家加速器和丰田研究所的研究人员对磷酸铁锂的反应性有了重大的新发现，磷酸铁锂是一种用于电动汽车电池和其他可充电电池的材料。

这项新技术揭示了以前不可能看到的几种现象，包括磷酸铁锂纳米颗粒不同区域的锂插层反应速率的变化。

该论文最重要的实际发现 – 反应速率的这些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。

“我们从这项研究中学到的是，真正控制电池动力学的是界面，特别是在当今由活性材料的纳米颗粒制成的现代电池中。这意味着我们的重点应该真正放在设计界面上，“E.G. Roos化学工程教授和麻省理工学院数学教授Martin Bazant说，他是该研究的资深作者。

这种发现图像中复杂图案背后的物理原理的方法也可用于深入了解许多其他材料，不仅是其他类型的电池，还有生物系统，例如在发育中的胚胎中分裂细胞。

“我发现这项工作最令人兴奋的是能够拍摄正在形成某种模式的系统的图像，并学习控制它的原理，”Bazant说。

赵洪波博士’21，前麻省理工学院研究生，现在是普林斯顿大学的博士后，是这项新研究的主要作者，该研究今天发表在 《自然》杂志上。其他作者包括理查德·布拉茨，麻省理工学院埃德温·R·吉利兰化学工程教授;William Chueh，斯坦福大学材料科学与工程副教授，SLAC-斯坦福电池中心主任;以及丰田研究所能源和材料高级主任布莱恩·斯托里。

“到目前为止，我们可以制作这些漂亮的电池纳米颗粒X射线电影，但是测量和理解它们如何运作的微妙细节具有挑战性，因为这些电影信息非常丰富，”Chueh说。“通过将图像学习应用于这些纳米级电影，我们可以提取以前不可能的见解。

模拟反应速率

磷酸铁锂电池电极由许多微小的磷酸铁锂颗粒制成，周围环绕着电解质溶液。典型的颗粒直径约为1微米，厚度约为100纳米。当电池放电时，锂离子通过称为离子插层的电化学反应从电解质溶液流入材料中。当电池充电时，插层反应被逆转，离子向相反方向流动。

“磷酸铁锂（LFP）是一种重要的电池材料，因为它成本低，具有良好的安全记录，并且使用了丰富的元素，”Storey说。“我们看到LFP在电动汽车市场的使用越来越多，所以这项研究的时机再好不过了。

在进行本研究之前，Bazant已经对锂离子插层形成的图案进行了大量的理论建模。磷酸铁锂喜欢以两种稳定相之一存在：要么充满锂离子，要么空。自2005年以来，Bazant一直致力于这种现象的数学模型，称为相分离，它产生了由插层反应驱动的锂离子流动的独特模式。2015年，在斯坦福大学休假期间，他开始与Chueh合作，试图解释扫描隧道X射线显微镜中磷酸铁锂颗粒的图像。

使用这种类型的显微镜，研究人员可以获得图像，这些图像可以逐像素地揭示粒子中每个点的锂离子浓度。他们可以在粒子充电或放电时多次扫描粒子，从而可以创建锂离子如何流入和流出粒子的电影。

2017年，Bazant和他在SLAC的同事获得了丰田研究所的资助，使用这种方法以及其他与电池相关的研究项目进行进一步的研究。

通过分析63个磷酸铁锂颗粒充电和放电时的X射线图像，研究人员发现锂离子在材料内的运动可能与Bazant之前创建的计算机模拟几乎相同。使用所有180,000像素作为测量值，研究人员训练计算模型以产生准确描述电池材料的非平衡热力学和反应动力学的方程。

“那里的每一个小像素都在从满跳到空，从满跳到空。我们正在绘制整个过程，使用我们的方程式来理解这是如何发生的，“巴赞特说。

研究人员还发现，他们观察到的锂离子流动模式可以揭示锂离子在颗粒表面每个位置吸收速率的空间变化。

“对我们来说，我们可以通过查看图像来了解系统中的异质性 – 在这种情况下，表面反应速率的变化 – 这对我们来说是一个真正的惊喜，”Bazant说。“有些地区似乎很快，有些地区似乎很慢。

此外，研究人员表明，这些反应速率的差异与磷酸铁锂颗粒表面碳涂层的厚度有关。这种碳涂层被涂在磷酸铁锂上以帮助它导电 – 否则材料会传导太慢而无法用作电池。

“我们在纳米尺度上发现，碳涂层厚度的变化直接控制了速率，如果你没有所有这些建模和图像分析，这是你永远无法弄清楚的，”Bazant说。

这些发现也为Bazant几年前提出的假设提供了定量支持：磷酸铁锂电极的性能主要受到固体颗粒和碳涂层之间界面处的耦合离子 – 电子转移速率的限制，而不是锂离子在固体中的扩散速率。

优化材料

研究人员说，这项研究的结果表明，优化电极表面碳层的厚度可以帮助研究人员设计出更高效的电池。

“这是第一项能够直接将电池材料的特性与涂层的物理特性归因于的研究，”Bazant说。“优化和设计电池的重点应该是控制电解质和电极界面的反应动力学。

“这份出版物是六年奉献和合作的结晶，”斯托里说。“这种技术使我们能够以以前不可能的方式解锁电池的内部工作原理。我们的下一个目标是通过应用这种新的理解来改进电池设计。

除了在其他电池材料上使用这种类型的分析外，Bazant预计它可用于研究其他化学和生物系统中的模式形成。

这项工作得到了丰田研究所通过加速材料设计和发现计划的支持。