用于跟踪锂运动的X射线衍射

已经开发出一种新技术来确定锂离子电池的石墨阳极内的锂浓度梯度。众所周知，交通系统电气化的关键之一就是快速充电。尽管最新的电动汽车(EV)的续航里程每次充电可达300英里或更多，但普遍的共识是，在全国范围内长途跋涉将需要快速充电 - 在15至20之间增加200-300英里的续航里程分钟。现在可以将150千瓦(kW)或更高功率泵入锂离子电池组的高功率直流充电器，但电池单元如何对高功率和电流水平做出反应可能会有问题。

市售的锂离子电池使用多孔石墨负极(阳极)和金属氧化物正极(阴极)。液体电解质允许在充电和放电期间锂离子在两个电极之间通过。在充电期间，锂离子被插入(插入)在石墨阳极的碳原子之间。在放电期间，锂离子从石墨中提取并插入阴极结构中。在充电/放电循环速率小于1C(电池容量在1小时内完全放电)时，锂离子电池可以经历数百次循环而容量降低很少。

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然而，如果电池组以高于1C的速率充电，则锂离子电池的容量，循环寿命和热稳定性降低。理论研究表明，在高充电速率下的这种降解是由阳极表面的锂电镀和石墨电极本身的锂离子浓度梯度引起的。

除了其他因素之外，在阳极中形成的锂梯度取决于锂扩散系数，嵌入速率，阳极厚度及其孔隙率和曲折度的复杂相互作用。石墨具有特别高的曲折度，主要是因为其薄饼状薄片形成层。将锂离子移动到石墨的不对准平面中会使得难以发生显着的嵌入。此外，锂嵌入石墨的可能性非常接近引起锂电镀的可能性。如果锂难以进入石墨阳极，则可以将其作为金属沉积在石墨颗粒上，特别是在阳极表面附近。

石墨电极中产生的锂离子梯度(电解质表面附近的最高浓度，通过阳极厚度移动的浓度较低)也会导致电池极化，允许在锂完全充电之前达到截止电压从阴极中提取，从而降低电池容量。梯度也会在石墨内引起结构应力，导致断裂。已经观察到，流过电池的充电电流越高，这些锂梯度越陡，可以在石墨阳极内。

很难看到

尽管石墨阳极中锂离子的浓度梯度已被广泛建模，但对该现象几乎没有直接的实验观察和量化。这是阿贡国家实验室最近研究的目标，其中正在研究快速直流充电，以加速电动汽车的验收。通过使用能量色散X射线衍射(EDXRD)，ANL研究人员能够在1C的速率下在锂离子电池的充电和放电期间空间分辨锂浓度分布。正如Argonne资深科学家Daniel Abraham在设计新闻中所解释的那样，当锂嵌入石墨晶体中时，它填充石墨烯片之间的层，产生独特的，有序的LixC6阶段。以前在石墨电极中原位可视化锂离子梯度的尝试使用光学显微镜。该方法可以在LixC6相的连续中产生定性的见解，其形成但难以分离混合相的贡献，特别是当组分在石墨颗粒上变化时。

根据亚伯拉罕的说法，Argonne的新方法可以对LixC6相的演替进行定性分析。在使用X射线的方法中，LixC6相的浓度分布对应于它们的体积平均值，在各个颗粒上积分并量化这些颗粒中每个有序相的分数。通过该量化，可以确定固体基质中每个探测层的精确相组成。因为只有有序的LixC6相对于X射线衍射信号有贡献，在电解质中未检测到锂离子和/或在基质中检测到潜在的无序固体化合物。使用EDXRD技术，研究了在充电和放电期间形成的LixC6相的连续性，空间分辨率为20μm，时间分辨率为1分钟。

ANL的工作已发表在能源与环境科学杂志上。根据阿贡研究人员的说法，一个意想不到的观察结果表明，充电和放电之间锂浓度的特性存在很强的不对称性，这表明高速脱锂过程中相变的复杂特征可能涉及较少有序的相。

这项研究产生了一种有用的工具，不仅有助于理解锂与石墨阳极的相互作用，而且还将在开发更有效的电池组件和材料方面发挥重要作用。根据Argonne的Abraham，“我们的方法提供了对实际锂离子电池中电化学过程的见解。这些数据可用于设计高性能电极，这些电极在操作过程中表现更均匀，并可用于验证和改进电池模型。“