日本研究人員使鋰電內部反應不均現象可視化

鋰電池的混合物電極的示意圖

對組分相同，但孔隙率不同的鋰電池混合物電極進行二維X射線吸收光譜成像的結果

京都大學2016年5月23日宣布，實現了鋰電池內部反應不平均現象的可視化，并查明了該現象發生的原由。該校研究人員發現，電極內部的反應不平均性取決于離子導電，會對電池性能萌生巨大影響。實用性的電池設計蘊含很多試錯（TryandError）的要素，利用此次的成果，有望從更科學的角度設計出高性能的電池。

鋰電池的充放電是通過電解質提供的離子與外部電路提供的電子之間的反應進行的。有研究猜測，在發生反應的混合物電極內，伴隨著電子傳導、離子傳導，還存在大量的電阻成分，電池性能會受到電子電阻與離子電阻之間平衡的影響。由于不平均的反應會導致電極利用率降低、特定部位的劣化加快，因此，掌握反應分布情況，并將結果反映到混合物電極的設計中，具有非常緊要的意義。

這一次，研究人員在測試混合物電極內截面方向的反應不平均現象時，使用了二維X射線吸收光譜成像法。這種辦法利用伴隨鋰離子進出的過渡金屬的氧化還元來估測電極活性物質的離子價，顯示充電情況的指標。通過對組分相同但電池性能不同的混合物電極進行比較發現，在縫隙（孔隙率）大的電極發生的反應平均，而對于孔隙率小的電極，是先從電極和電解質的界面優先發生反應，內部出現了分明的不平均性。

另外，研究人員還開發出使用6個端子分離測量混合物電極中的電子和離子電導率的測試辦法，并實際進行了測量。結果顯示，在混合物電極中，與電子電導率相比，離子電導率非常小，如果孔隙率小，離子電導率還會進一步縮小。這些情況說明，在鋰電池的混合物電極中，離子導電極有可能受到了速率控制，反應的不平均性是性能支配因素。

因為反應的不平均性在大型電池中表現得尤為分明，所以，這次的研究成果可以使用于車載鋰離子電池等的設計。二維X射線吸收光譜成像法和電子及離子導電率分離測試法也有望作為混合物電極中發生的現象的分解工具，得到廣泛使用。

本次研究由京都大學與立命館大學、日本產業技術綜合研究所（產綜研）、KRI公司合作開展。研究成果已于5月19日（日本時間）發布在Natrure旗下的在線科學期刊《ScientificReports》。（特約撰稿人：工藤宗介）

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