研究人員發現，下一代電池材料的性能和容量可能因鋰離子的不規則運動而受到阻礙。由劍橋大學領導的研究小組實時監測了一種潛在的新電池材料內部的鋰離子流動。之前人們認為，鋰離子儲存在電池材料中的機制對每個活性粒子來說是統一的。然而，劍橋大學領導的研究發現，在充放電循環中，鋰的儲存並不均勻。

當電池的放電週期接近尾聲時，活性粒子的表面變得鋰飽和，而其核心則缺乏鋰。這導致了容量的減少和可重複使用的鋰的損失。

法拉第研究所資助的這項研究可能有助於推動現有電池材料的發展，並加速下一代電池的創造。該研究結果最近發表在《焦耳》雜誌上。

為了向零碳經濟轉變，發展電動汽車（EV）是必不可少的手段。由於其巨大的能量密度，鋰離子電池為目前道路上的大多數電動汽車提供動力。然而，隨著電動車使用量的增加，對更大範圍和更快充電時間的要求，需要改進現有的電池材料，並發現新的材料。

這些材料中最有前途的一些是被稱為層狀富鎳鋰氧化物的最先進的正極材料，它們被廣泛用於高級電動汽車。然而，它們的工作機制，特別是在實際操作條件下的鋰離子傳輸，以及這與它們的電化學性能是如何联系在一起的還沒有被充分理解，所以我們還不能從這些材料中獲得最大的性能。

通過在顯微鏡下跟踪電池運行過程中光與活性顆粒的相互作用，研究人員觀察到富鎳錳鈷氧化物（NMC）在充放電循環中的鋰存儲存在明顯差異。

“這是第一次在單個顆粒中直接觀察到鋰存儲的這種不均勻性，”來自劍橋大學優素福-哈米德化學系的共同第一作者Alice Merryweather說。”像我們這樣的實時技術對於在電池循環時捕捉這種情況是至關重要的。”

結合實驗觀察和計算機建模，研究人員發現，非均勻性源於充放電週期中NMC中鋰離子擴散速度的急劇變化。具體來說，鋰離子在完全鋰化的NMC顆粒中擴散緩慢，但一旦從這些顆粒中提取一些鋰離子，擴散就會明顯增強。

“我們的模型提供了對NMC中鋰離子擴散在充電早期階段的變化範圍的見解，”來自劍橋大學工程系的共同第一作者Shrinidhi S. Pandurangi博士說。”我們的模型準確地預測了鋰的分佈，並捕捉到了實驗中觀察到的異質性程度。這些預測是理解其他電池降解機制的關鍵，如顆粒斷裂。”

重要的是，在放電結束時看到的鋰的異質性確定了富鎳正極材料在第一次充放電循環後通常會損失大約10%的容量的原因之一。共同第一作者、上海理工大學的徐超博士說：”這很重要，考慮到用於確定電池是否應該退役的一個行業標準是當它失去20%的容量。”

研究人員現在正在尋求新的方法來提高這些有前途的電池材料的實際能量密度和壽命。