據(jù)外媒報(bào)道，到2023年，全球鋰離子電池市值有望達(dá)到470億美元。由于鋰離子電池具高能量密度（存儲容量）、工作電壓較高、保質(zhì)期較長，而且“存儲效應(yīng)”（由于在之前的使用中電池沒有完全放電，因而可充電電池的最大容量降低）較小。但是，安全性、充放電循環(huán)和使用壽命等因素一直制約著鋰離子電池用于電動(dòng)汽車等重負(fù)荷應(yīng)用。

弗吉尼亞大學(xué)工程學(xué)院（theUniversityofVirginiaSchoolofEngineering）的研究人員正在美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室（OakRidgeNationalLaboratory）利用中子成像技術(shù)探測鋰離子電池，并對電池材料和結(jié)構(gòu)的電化學(xué)特性進(jìn)行深入研究。研究的重點(diǎn)是利用鈦酸鋰和鈷酸鋰這兩種電活性材料的薄層和厚層燒結(jié)樣品，追蹤鋰離子電池電極的鋰化和脫鋰（即充放電）過程。

了解鋰在電池電極中的運(yùn)動(dòng)方式，對于設(shè)計(jì)能夠以更快速度進(jìn)行充放電的電池非常重要，改善鋰在電極中的運(yùn)動(dòng)可以使電池的充電速度更快。

弗吉尼亞大學(xué)工程學(xué)院化學(xué)工程副教授GaryKoenig表示：“如果電極相對較厚，鋰離子通過多孔材料和隔膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行傳輸可以限制充放電速率。為了研發(fā)提高鋰離子在充滿電解質(zhì)的電極多孔空隙區(qū)域的輸運(yùn)性能的方法，我們首先需要能夠跟蹤電池在充放電過程中離子的傳輸和分布。”

Koenig表示，高分辨X射線衍射等其他方法可以提供電化學(xué)過程中的詳細(xì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，但是該方法通常會使材料的平均體積變大。同樣地，x射線相位成像技術(shù)可以顯示電池電解質(zhì)中的含鹽濃度，但是該技術(shù)只能用于特殊的光譜化學(xué)電池，而且只能獲取電極區(qū)域間的成分信息。

為了獲取更多詳細(xì)信息，研究人員利用中子，在橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室高通量同位素反應(yīng)堆（HighFluxIsotopeReactor）的冷中子成像束線上進(jìn)行了研究。

比較鋰離子電池薄電極和厚電極的鋰化過程，對于理解不均勻性（機(jī)械、結(jié)構(gòu)、傳輸和動(dòng)力學(xué)特性的局部變化）對電池壽命和性能的影響至關(guān)重要。局部不均也會導(dǎo)致電池電流、溫度、充電狀態(tài)和老化的不均。一般來說，隨著電極厚度的增加，不均勻性對電池性能的不利影響也會增加。但是，如果可以將更厚的電極用于電池，且不影響其他因素，將有助于提高電池的儲能能力。

在最初的實(shí)驗(yàn)中，薄電極樣品的鈦酸鋰厚度為0.738mm，鈷酸鋰厚度為0.463mm，而厚電極樣品的鈦酸鋰厚度為0.886mm，鈷酸鋰厚度為0.640mm。

Koenig表示：“我們的目標(biāo)是研發(fā)一個(gè)模型，幫助了解如何改變電極結(jié)構(gòu)，如改變材料的方向和分布，從而改善離子的傳輸性能。利用每個(gè)樣本在不同時(shí)間點(diǎn)的成像，我們能夠繪制出電池中鋰離子分布的二維地圖。未來，我們計(jì)劃在中子束中旋轉(zhuǎn)樣本，以提供三維信息，更詳細(xì)地揭示不均勻性對于鋰離子傳輸性能的影響”。