研究人員首次觀察到鋰離子如何流經電池界面，這有助於工程師優化材料的設計。來自麻省理工學院、斯坦福大學、SLAC 國家加速器和豐田研究所的研究人員在了解磷酸鐵鋰這種重要的電池材料方面取得了突破性進展。利用先進的X 射線圖像分析，他們發現這種材料效率的變化與碳塗層的厚度有關。這一發現可能會改善電池的性能。

來自麻省理工學院、斯坦福大學、SLAC 國家加速器實驗室和豐田研究院的研究小組利用機器學習重新分析了電池循環過程中鋰離子進出電池電極納米粒子（左）的X 射線圖像。該圖像中的假色顯示了每個粒子的電荷狀態，並揭示了單個粒子內部的不均勻過程。圖片來源：Cube3D

通過挖掘X 射線圖像數據，麻省理工學院、斯坦福大學、SLAC 國家加速器和豐田研究所的研究人員對磷酸鐵鋰的反應性有了新的重大發現，磷酸鐵鋰是一種用於電動汽車電池和其他充電電池的材料。

新技術揭示了一些以前無法看到的現象，包括磷酸鐵鋰納米粒子不同區域鋰插層反應速率的變化。

論文最重要的實際發現是，這些反應速率的變化與顆粒表面碳塗層厚度的差異有關，這可能會提高此類電池的充放電效率。

通過挖掘X 射線圖像，麻省理工學院的研究人員對磷酸鐵鋰的反應性有了新的重大發現，磷酸鐵鋰是一種用於電動汽車電池和其他充電電池的材料。在圖中的每對粒子中，左邊為實際粒子，右邊為研究人員的模擬粒子。圖片來源：研究人員提供

界面工程

“我們從這項研究中了解到，真正控制電池動力學的是界面，尤其是在當今由活性材料納米顆粒製成的現代電池中。”馬丁-巴贊特（Martin Bazant）是這項研究的資深作者，他是麻省理工學院EG Roos 化學工程教授和數學教授。

這種發現圖像中復雜圖案背後的物理學原理的方法也可用於深入研究許多其他材料，不僅包括其他類型的電池，還包括生物系統，如發育中胚胎的分裂細胞。

Bazant說，”我認為這項工作最令人興奮的地方在於，我們能夠拍攝正在形成某種圖案的系統的圖像，並學習支配這種圖案的原理。”

合作研究

趙洪波博士是這項新研究的第一作者，他曾是麻省理工學院的研究生，現在是普林斯頓大學的博士後。其他作者包括麻省理工學院化學工程埃德溫-吉利蘭（Edwin R. Gilliland）教授理查德-布拉茨（Richard Bratz）、斯坦福大學材料科學與工程副教授兼SLAC-斯坦福電池中心主任威廉-丘（William Chueh）、豐田研究院能源與材料高級主管布萊恩-斯托里（Brian Storey）。

Chueh 說：”直到現在，我們還能製作出電池納米粒子工作時的精美X 射線電影，但要測量和了解它們如何發揮作用的微妙細節卻很困難，因為這些電影的信息量太大了。通過對這些納米級影片進行圖像學習，我們可以獲得以前無法獲得的深刻見解。”

反應速率建模

磷酸鐵鋰電池電極由許多微小的磷酸鐵鋰顆粒組成，周圍是電解質溶液。典型的顆粒直徑約為1 微米，厚度約為100 納米。電池放電時，鋰離子通過一種稱為離子插層的電化學反應從電解質溶液流入材料中。當電池充電時，插層反應發生逆轉，離子向相反的方向流動。

“磷酸鐵鋰（LFP）是一種重要的電池材料，因為它成本低、安全性能好，而且使用豐富的元素，”Storey 說。”我們看到電動汽車市場對磷酸鐵鋰的使用越來越多，因此這項研究的時機再好不過了。”

在本次研究之前，Bazant 已經對鋰離子插層形成的模式進行了大量的理論建模。磷酸鐵鋰喜歡以兩種穩定相之一存在：要么充滿鋰離子，要么是空的。自2005年以來，Bazant一直致力於研究這種現象的數學模型，這種現像被稱為相分離，由插層反應驅動產生獨特的鋰離子流動模式。2015年，在斯坦福大學休假期間，他開始與Chueh合作，嘗試通過掃描隧道X射線顯微鏡解讀磷酸鐵鋰顆粒的圖像。

利用這種顯微鏡，研究人員可以獲得圖像，逐像素顯示顆粒中每一點的鋰離子濃度。他們可以在粒子充電或放電時對粒子進行多次掃描，從而製作出鋰離子如何進出粒子的影片。

2017年，Bazant和他在SLAC的同事獲得了豐田研究所的資助，利用這種方法開展進一步研究，同時開展其他與電池相關的研究項目。

見解和發現

通過分析63個磷酸鐵鋰顆粒充電和放電時的X射線圖像，研究人員發現，鋰離子在材料內部的運動幾乎與Bazant之前創建的計算機模擬完全一致。研究人員利用所有18 萬個像素作為測量數據，訓練計算模型生成方程，準確描述電池材料的非平衡熱力學和反應動力學。

“裡面的每個小像素都在從滿到空，從滿到空地跳躍。我們正在繪製整個過程的圖譜，用我們的方程來理解這是如何發生的，”Bazant 說。

研究人員還發現，他們觀察到的鋰離子流動模式可以揭示粒子表面每個位置吸收鋰離子速度的空間變化。

Bazant說：”我們能通過觀察圖像了解系統中的異質性–在這種情況下，就是表面反應速度的變化–這著實讓我們大吃一驚。有些區域似乎反應很快，有些區域似乎反應很慢”。

此外，研究人員還發現，這些反應速率的差異與磷酸鐵鋰顆粒表面碳塗層的厚度有關。磷酸鐵鋰表面的碳塗層有助於其導電–否則，這種材料的導電速度就會太慢，無法用作電池。

在納米尺度上，碳塗層厚度的變化直接控制著導電率，如果沒有這些建模和圖像分析就永遠不可能發現這一點。這些發現還為Bazant 幾年前提出的假設提供了定量支持：磷酸鐵鋰電極的性能主要受限於固體顆粒與碳塗層之間界面上耦合離子-電子轉移的速率，而不是鋰離子在固體中的擴散速率。

優化材料

研究人員說，這項研究的結果表明，優化電極表面碳層的厚度有助於研究人員設計出工作效率更高的電池。

這是第一項能夠將電池材料的屬性與塗層的物理屬性直接聯繫起來的研究。優化和設計電池的重點應該是控制電解質和電極界面的反應動力學。

Storey 說：”這篇論文的發表是我們六年努力與合作的結晶。這項技術讓我們以一種前所未有的方式揭開了電池的內部構造。我們的下一個目標是通過應用這種新的理解來改進電池設計。”

除了在其他電池材料上使用這種分析方法外，Bazant 預計它還可以用於研究其他化學和生物系統中的模式形成。