鋰離子電池的混合物電極的示意圖

對組分相同，但孔隙率不同的鋰離子電池混合物電極進行二維X射線吸收光譜成像的結(jié)果

京都大學2016年5月23日宣布，實現(xiàn)了鋰離子電池內(nèi)部反應(yīng)不均勻現(xiàn)象的可視化，并查明了該現(xiàn)象發(fā)生的原因。該校研究人員發(fā)現(xiàn)，電極內(nèi)部的反應(yīng)不均勻性取決于離子導(dǎo)電，會對電池性能產(chǎn)生巨大影響。實用性的電池設(shè)計包含很多試錯（TryandError）的要素，利用此次的成果，有望從更科學的角度設(shè)計出高性能的電池。

鋰離子電池的充放電是通過電解質(zhì)提供的離子與外部電路提供的電子之間的反應(yīng)進行的。有研究推測，在發(fā)生反應(yīng)的混合物電極內(nèi)，伴隨著電子傳導(dǎo)、離子傳導(dǎo)，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。由于不均勻的反應(yīng)會導(dǎo)致電極利用率降低、特定部位的劣化加快，因此，掌握反應(yīng)分布情況，并將結(jié)果反映到混合物電極的設(shè)計中，具有非常重要的意義。

這一次，研究人員在檢測混合物電極內(nèi)截面方向的反應(yīng)不均勻現(xiàn)象時，使用了二維X射線吸收光譜成像法。這種方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(zhì)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(fā)現(xiàn)，在縫隙（孔隙率）大的電極發(fā)生的反應(yīng)均勻，而對于孔隙率小的電極，是先從電極和電解質(zhì)的界面優(yōu)先發(fā)生反應(yīng)，內(nèi)部出現(xiàn)了明顯的不均勻性。

另外，研究人員還開發(fā)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(dǎo)率的檢測方法，并實際進行了測量。結(jié)果顯示，在混合物電極中，與電子電導(dǎo)率相比，離子電導(dǎo)率非常小，如果孔隙率小，離子電導(dǎo)率還會進一步縮小。這些情況說明，在鋰離子電池的混合物電極中，離子導(dǎo)電極有可能受到了速率控制，反應(yīng)的不均勻性是性能支配因素。

因為反應(yīng)的不均勻性在大型電池中表現(xiàn)得尤為明顯，所以，這次的研究成果可以應(yīng)用于車載鋰電池等的設(shè)計。二維X射線吸收光譜成像法和電子及離子導(dǎo)電率分離檢測法也有望作為混合物電極中發(fā)生的現(xiàn)象的分析工具，得到廣泛應(yīng)用。

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