中國儲能網(wǎng)訊：近日，西安交通大學金屬材料強度國家重點實驗室和前沿科學技術研究院齊亮博士和李巨教授，與美國圣地亞國家實驗室Jianyu Huang，匹茲堡大學Scott Mao，西北大平洋國家實驗室Chong Min Wang等研究人員合作，對鋰離子電池負極的充放電過程進行了開創(chuàng)性的研究。他們通過原位高分辨透射電子顯微鏡技術，首次在納米尺度上實現(xiàn)對負極材料的充/放電過程的實時觀測，發(fā)現(xiàn)了鋰離子嵌入過程中負極材料形貌和結構的奇特變化，提出了相應的微觀反應機制并通過第一性原理計算加以證實。該項結果已發(fā)表在2010年12月10日的《科學》雜志上，同期雜志還附有鋰離子電池領域的權威人士、美國麻省理工學院Yet-Ming Chiang教授對該論文的專題評述。
鋰離子電池是利用鋰離子在正極和負極材料中不同的化學勢差來儲藏和釋放能量的一種電化學能量轉(zhuǎn)換裝置。充電過程中，正極釋放鋰離子和電子；鋰離子穿過正負極之間的電解質(zhì)，在負極材料中與充電電源供給的高勢能電子結合形成穩(wěn)定化合物以儲藏能量。在放電過程中，負極材料釋放鋰離子和電子，鋰離子通過電解質(zhì)回到正極，電子通過外電路回到勢能更低的正極從而對外釋放能量。相對傳統(tǒng)的鎳氫電池，鋰離子電子擁有高能量和功率密度以及無記憶效應等一系列優(yōu)點，在手機、筆記本電腦等便攜式電器和電動汽車等領域發(fā)揮了重要的作用。但如何進一步提高其能量和功率密度（目前鋰離子電池汽車充電一次能行駛100～150公里，遠低于傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車加滿汽油后600～800公里的行駛），大幅度降低充電時間，以及解決在多次使用后容量退化和可靠性問題，成為限制鋰離子電池進一步應用的瓶頸。研究鋰離子電池充放電的基本微觀機制，從根本上找出可能導致電池老化失效的原因已經(jīng)成為新一代高性能電池的必行之路。
為了從原子尺度上理解納米材料在鋰離子電池中的特殊性能，本論文的作者們設計了一套世界上最小的鋰離子電池，其中負極材料僅是一根直徑100納米10微米長的單晶二氧化錫納米線，納米線的一端浸入的耐真空的電解質(zhì)中并與電解質(zhì)另一端作為正極的鈷酸鋰形成一套開放的電池系統(tǒng)。他們使用高分辨投射電子顯微鏡對該電池的充放電過程進行實時觀察，發(fā)現(xiàn)在鋰離子從電解液嵌入納米線時會導致其劇烈的膨脹，延展和卷曲變形；但與二氧化錫塊體的低塑性完全不同，不管變形如何劇烈，該納米線在充放電過程中始終保持結構的完整性，這進一步驗證了納米材料作為電極的優(yōu)越性能。微觀結構上，已膨脹的納米線會給鄰近未完全反應的區(qū)域施加巨大的拉應力，導致反應前端形成一個含有高密度流動位錯的“美杜莎區(qū)”（Medusa , 希臘神話中的女妖，其頭發(fā)都是扭動的長蛇，如同本次試驗中觀測到的流動的云狀位錯網(wǎng)）產(chǎn)生。這些流動位錯既可以作為鋰離子嵌入納米線的快速通道，使反應前端繼續(xù)沿著納米線軸向擴展，同時又破壞納米線的晶體結構，使其在大量嵌入鋰離子后發(fā)生固態(tài)非晶化轉(zhuǎn)變；而這些新生成的非晶體又吸收已形成的位錯，使“美杜莎區(qū)”永遠保持在反應前端。這些實時的觀測實驗揭示了由于鋰離子嵌入/輸出導致的機械性能和結構變化的反應機制，并建立一整套納米尺度的電池構造和觀測方法，對設計具有高能量密度和高壽命的新型電池材料的研究有開創(chuàng)性的指導意義。另外，該電池有望在封裝后單獨用做納米裝置的動力源。
在研究過程中，齊亮博士和李巨教授對實驗結果進行了嚴格的理論分析。他們使用第一性原理計算工具和模擬退火算法，獲得與實驗結果一致的二氧化錫體積膨脹率，并考慮納米線在大尺度上的彈性變形，解釋了實驗所觀察到的納米線體積膨脹的各向異性。同時通過對二氧化錫理論強度的計算，驗證了反應前端產(chǎn)生高密度流動位錯云的可能性，并解釋了該位錯結構對納米材料的機械變形和結構轉(zhuǎn)化的關鍵性作用。最后通過第一性原理和分子動力學的計算，得到與實驗相符的鋰離子在納米線中的擴散系數(shù)，驗證了鋰離子在已反應的納米線塊體中的擴散是整個充電過程的最重要的限速步驟，為將來設計可快速充電的電極材料提供了理論依據(jù)。
該項研究得到了西安交通大學卓越團隊計劃的資助。齊亮博士的工作是今年暑假在西安交通大學工作期間做出的。李巨教授是西安交通大學材料學院長江學者講座教授。（來源：西安交通大學）
