mile米乐m6官网 可视化电池内部的反应不均匀性

　京都大学人类与环境研究科研究生院 Yoshiharu Uchimoto 教授和 Yuki Orikasa 助理教授（现任立命馆大学副教授）领导的研究小组正在与立命馆大学、日本国立先进工业技术研究所和 KRI Corporation 合作开发锂离子电池¹我们已经可视化了内部反应异质性现象并阐明了其发生的原因。实际的电池设计涉及许多反复试验的要素，但通过利用本研究的结果，将有可能从更科学的角度设计高性能电池。未来，预计该技术将应用于二次电池的开发，以扩大电动汽车的续驶里程。

　这项研究发表于 2016 年 5 月 19 日下午 6:00（日本时间），英国自然出版集团的在线科学杂志“科学报告

　锂离子电池广泛用作手机、智能手机和笔记本电脑的电池。近年来，电动汽车和电力储存电池的使用加速，电池也变得越来越大型。许多研究人员预测电池内部的非均相反应是影响电池性能的一个因素，但到目前为止还很少有工具可以通过实验验证和分析这种现象。此外，尽管人们认为不均匀性是由于电池内部电子和离子电导率的差异造成的，但没有办法实际测量这一点。

　在本研究中，我们将使用可以获得二维数据的X射线吸收光谱来可视化反应不均匀现象²我们还建立了一种测量锂离子电池电极电子电导率和离子电导率的方法。利用上述方法对不同性能的锂离子电池电极进行分析，结果发现电极内部的反应不均匀性是由离子传导决定的，这对性能影响很大。

　该结果有助于锂离子电池的实用设计，对提高电池性能有帮助。由于反应不均匀性在大型电池中尤为明显，预计该方法将应用于汽车锂离子电池的设计，从而实现长行驶距离和高安全性的电池。

这项研究的一部分是作为创新蓄电池先进科学基础研究项目（RISING项目：项目负责人名誉教授Zenpachi Kokumi）的一部分进行的，该项目由新能源和产业技术综合开发组织（NEDO）共同推动。

　锂离子电池是现代不可或缺的电池，应用于从小型便携式设备到电动汽车等大型蓄电设备的各种领域。锂离子电池由两个存储能量的电极和允许离子来回移动的电解质组成。电极由储存锂离子的活性材料、形成电子传导路径的导电材料以及将它们粘合在一起的粘合剂组成。电极具有极其复杂的结构，其中空隙中存在电解质以形成离子传导路径。图1显示了混合电极的示意图。锂离子电池的充电和放电反应是通过电解液提供的离子与外部电路提供的电子之间的反应来进行的。在发生反应的混合电极内，存在许多用于电子和离子传导的电阻分量，并且假设电池性能受到电子电阻和离子电阻之间的平衡的影响。经验认识到复合电极的制造条件对其特性有显着影响，我们通过反复试验优化了电极结构以提高其性能。为了进一步提高锂离子电池的性能，需要直接观察电极内部发生的现象，明确控制其特性的因素，并设计能够引起理想反应的复合电极。在混合电极中，反应不均匀性是由电子传导和离子传导之间的平衡引起的。不均匀反应会降低电极利用率并加速特定部件的劣化，因此在实践中了解反应分布如何发生并将这一结果反映在混合电极的设计中极其重要。然而，电池充放电反应过程中可监测到的电位和电流信息反映了整个电极混合物的信息，无法直接测量电极内部的反应部位或电阻的不均匀性。需要新的方法来直接测量混合物电极的反应不均匀性。此外，通常很难分离和测量控制锂离子电池混合物电极中反应的电子电导率和离子电导率。换句话说，在设计锂离子电池复合电极时，需要开发两种测量方法：反应非均质现象的直接测量和电子和离子电导率的分离测量，并将两者放在一起讨论。

　在这项研究中，我们的目标是具有相同成分但电池性能不同的混合电极。首先，我们使用二维成像X射线吸收光谱来测量电极混合物内横截面方向的不均匀反应现象。 X 射线吸收光谱可以利用锂离子移入和移出时过渡金属的氧化还原来估计电极活性材料的价态，从而指示其带电情况。这次，通过使用二维探测器，我们绘制了电极混合物中每个位置的电荷状态。另外，立命馆大学SR中心可以制造大光束，从更广泛的区域获取信息³进行图2显示了放电过程中取出的混合物电极横截面的反应​​不均匀性图。混合电极中间隙（孔隙率）较大的电极中反应均匀进行，但孔隙率较小的电极中反应优先从电极/电解质界面进行，表明存在显着的内部异质性。

　此外，我们开发了一种测量方法（图3），使用六个端子分别测量混合电极中的电子和离子电导率。结果表明，复合电极中的离子电导率远小于电子电导率，并且当孔隙率较小时，离子电导率变得更小。综上所述，我们证明，在实际的锂离子电池复合电极中，离子传导极有可能是速率决定因素，而反应的非均质性是性能控制因素。

　根据此次获得的信息设计复合电极，可以加速锂离子电池性能的进一步提升。此外，此次应用的二维成像X射线吸收光谱和电子/离子电导率分离测量方法预计将作为分析复合电极中发生的现象的工具具有广泛的应用。基于反应非均质性和电子及离子传导性因素相结合的基本理论设计和开发复合电极，可以为日本电池工业继续保持世界顶尖水平做出贡献。

图1锂离子电池混合电极示意图，电子由集流体侧供给，锂离子由电解质侧供给

图2 相同成分但孔隙率不同的锂离子电池混合物电极横截面的二维成像X射线吸收光谱测量结果（上：电极表面侧，下：集流体侧）。颜色变化代表反应进展程度，孔隙率较低的样品颜色不均匀性更明显

图3锂离子电池混合物电极中电子与离子电导率分离测量方法示意图

标题：“锂离子电池复合电极中的离子传导控制横截面反应分布”
作者：Yuki Orikasa、Yuma Gogyo、Hisao Yamashige、Misaki Katayama、Kezheng Chen、Takuya Mori、Kentaro Yamamoto、Titus Masese、Yasuhiro Inada、Toshiaki Ohta、Zyun Siroma、Shiro Kato、Hajime Kinoshita、Hajime Arai、Zempachi Ogumi 和 Yoshiharu Uchimoto
已出版的杂志：科学报告
DOI：101038/srep26382

 

¹　二次电池具有高能量密度，被用作手机、笔记本电脑等移动设备的主要电源。近来已应用于混合动力汽车、电动汽车、客机、大型蓄电池等。主要成分是正负极和有机电解质，锂离子的运动驱动充放电反应。作为移动电源使用时，发展的首要任务是增大尺寸并进一步提高安全性。[返回来源]

²　通过用高能 X 射线照射样品并观察目标元素特定能量的 X 射线吸收率，获得有关物质内部原子的电子结构和与邻近原子的键合等局部结构信息的分析方法。实验通常在同步加速器辐射设施中进行。[返回来源]

³　这是日本唯一一所私立大学拥有的同步辐射设施，位于滋贺县草津市的立命馆大学和光草津校区。当以接近光速行进的电子受电磁力改变轨迹时，会在切线方向产生电磁波，这种电磁波称为同步辐射。 SR中心不仅被学术界和工业界电池领域的众多用户所使用，而且还被用作本科生实验课程的校内设施。[返回参考源]