近日，西安交大金屬材料強(qiáng)度國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和前沿科學(xué)技術(shù)研究院齊亮博士和李巨教授，與美國(guó)圣地亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室Jianyu Huang，匹茲堡大學(xué)Scott Mao，西北大平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室Chong Min Wang等研究人員合作，對(duì)鋰離子電池負(fù)極的充放電過程進(jìn)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(shù)，首次在納米尺度上實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)極材料的充/放電過程的實(shí)時(shí)觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)了鋰離子嵌入過程中負(fù)極材料形貌和結(jié)構(gòu)的奇特變化，提出了相應(yīng)的微觀反應(yīng)機(jī)制并通過第一性原理計(jì)算加以證實(shí)。
該項(xiàng)結(jié)果已發(fā)表在2010年12月10日的《Science》雜志上，同期雜志還附有鋰離子電池領(lǐng)域的權(quán)威人士、美國(guó)麻省理工學(xué)院Yet-Ming Chiang教授對(duì)該論文的專題評(píng)述。
鋰離子電池是利用鋰離子在正極和負(fù)極材料中不同的化學(xué)勢(shì)差來(lái)儲(chǔ)藏和釋放能量的一種電化學(xué)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(fù)極之間的電解質(zhì)，在負(fù)極材料中與充電電源供給的高勢(shì)能電子結(jié)合形成穩(wěn)定化合物以儲(chǔ)藏能量。在放電過程中，負(fù)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(shì)能更低的正極從而對(duì)外釋放能量。
相對(duì)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(wú)記憶效應(yīng)等一系列優(yōu)點(diǎn)，在手機(jī)、筆記本電腦等便攜式電器和電動(dòng)汽車等領(lǐng)域發(fā)揮了重要的作用。但如何進(jìn)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(yuǎn)低于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車加滿汽油后600~800公里的行駛），大幅度降低充電時(shí)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(jìn)一步應(yīng)用的瓶頸。研究鋰離子電池充放電的基本微觀機(jī)制，從根本上找出可能導(dǎo)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。
在研究過程中，齊亮博士和李巨教授對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了嚴(yán)格的理論分析。他們使用第一性原理計(jì)算工具和模擬退火算法，獲得與實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shí)驗(yàn)所觀察到的納米線體積膨脹的各向異性。同時(shí)通過對(duì)二氧化錫理論強(qiáng)度的計(jì)算，驗(yàn)證了反應(yīng)前端產(chǎn)生高密度流動(dòng)位錯(cuò)云的可能性，并解釋了該位錯(cuò)結(jié)構(gòu)對(duì)納米材料的機(jī)械變形和結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵性作用。最后通過第一性原理和分子動(dòng)力學(xué)的計(jì)算，得到與實(shí)驗(yàn)相符的鋰離子在納米線中的擴(kuò)散系數(shù)，驗(yàn)證了鋰離子在已反應(yīng)的納米線塊體中的擴(kuò)散是整個(gè)充電過程的最重要的限速步驟，為將來(lái)設(shè)計(jì)可快速充電的電極材料提供了理論依據(jù)。
該項(xiàng)研究得到了西安交大卓越團(tuán)隊(duì)計(jì)劃的資助。齊亮博士的工作是今年暑假在西安交大工作期間做出的。李巨教授是西安交大材料學(xué)院長(zhǎng)江學(xué)者講座教授。
