研究人员首次观察到锂离子如何流经电池界面，这有助于工程师优化材料的设计。来自麻省理工学院、斯坦福大学、SLAC 国家加速器和丰田研究所的研究人员在了解磷酸铁锂这种重要的电池材料方面取得了突破性进展。利用先进的 X 射线图像分析，他们发现这种材料效率的变化与碳涂层的厚度有关。这一发现可能会改善电池的性能。

来自麻省理工学院、斯坦福大学、SLAC 国家加速器实验室和丰田研究院的研究小组利用机器学习重新分析了电池循环过程中锂离子进出电池电极纳米粒子（左）的 X 射线图像。该图像中的假色显示了每个粒子的电荷状态，并揭示了单个粒子内部的不均匀过程。图片来源：Cube3D

通过挖掘 Xhttp://www.196nk.cn 射线图像数据，麻省理工学院、斯坦福大学、SLAC 国家加速器和丰田研究所的研究人员对磷酸铁锂的反应性有了新的重大发现，磷酸铁锂是一种用于电动汽车电池和其他充电电池的材料。

新技术揭示了一些以前无法看到的现象，包括磷酸铁锂纳米粒子不同区域锂插层反应速率的变化。

论文最重要的实际发现是，这些反应速率的变化与颗粒表面碳涂层厚度的差异有关，这可能会提高此类电池的充放电效率。

通过挖掘 X 射线图像，麻省理工学院的研究人员对磷酸铁锂的反应性有了新的重大发现，磷酸铁锂是一种用于电动汽车电池和其他充电电池的材料。在图中的每对粒子中，左边为实际粒子，右边为研究人员的模拟粒子。图片来源：研究人员提供

界面工程

"我们从这项研究中了解到，真正控制电池动力学的是界面，尤其是在当今由活性材料纳米颗粒制成的现代电池中。"马丁-巴赞特（Martin Bazant）是这项研究的资深作者，他是麻省理工学院 E.G. Roos 化学工程教授和数学教授。

这种发现图像中复杂图案背后的物理学原理的方法也可用于深入研究许多其他材料，不仅包括其他类型的电池，还包括生物系统，如发育中胚胎的分裂细胞。

Bazant说，"我认为这项工作最令人兴奋的地方在于，我们能够拍摄正在形成某种图案的系统的图像，并学习支配这种图案的原理。"

合作研究

赵洪波博士是这项新研究的第一作者，他曾是麻省理工学院的研究生，现在是普林斯顿大学的博士后。其他作者包括麻省理工学院化学工程埃德温-吉利兰（Edwin R. Gilliland）教授理查德-布拉茨（Richard Bratz）、斯坦福大学材料科学与工程副教授兼SLAC-斯坦福电池中心主任威廉-丘（William Chueh）、丰田研究院能源与材料高级主管布莱恩-斯托里（Brian Storey）。

Chueh 说："http://www.196nk.cn直到现在，我们还能制作出电池纳米粒子工作时的精美 X 射线电影，但要测量和了解它们如何发挥作用的微妙细节却很困难，因为这些电影的信息量太大了。通过对这些纳米级影片进行图像学习，我们可以获得以前无法获得的深刻见解。"

反应速率建模

磷酸铁锂电池电极由许多微小的磷酸铁锂颗粒组成，周围是电解质溶液。典型的颗粒直径约为 1 微米，厚度约为 100 纳米。电池放电时，锂离子通过一种称为离子插层的电化学反应从电解质溶液流入材料中。当电池充电时，插层反应发生逆转，离子向相反的方向流动。

"磷酸铁锂（LFP）是一种重要的电池材料，因为它成本低、安全性能好，而且使用丰富的元素，"Storey 说。"我们看到电动汽车市场对磷酸铁锂的使用越来越多，因此这项研究的时机再好不过了。"

在本次研究之前，Bazant 已经对锂离子插层形成的模式进行了大量的理论建模。磷酸铁锂喜欢以两种稳定相之一存在：要么充满锂离子，要么www.196nk.cn是空的。自2005年以来，Bazant一直致力于研究这种现象的数学模型，这种现象被称为相分离，由插层反应驱动产生独特的锂离子流动模式。2015年，在斯坦福大学休假期间，他开始与Chueh合作，尝试通过扫描隧道X射线显微镜解读磷酸铁锂颗粒的图像。

利用这种显微镜，研究人员可以获得图像，逐像素显示颗粒中每一点的锂离子浓度。他们可以在粒子充电或放电时对粒子进行多次扫描，从而制作出锂离子如何进出粒子的影片。

2017年，Bazant和他在SLAC的同事获得了丰田研究所的资助，利用这种方法开展进一步研究，同时开展其他与电池相关的研究项目。

见解和发现

通过分析63个磷酸铁锂颗粒充电和放电时的X射线图像，研究人员发现，锂离子在材料内部的运动几乎与Bazant之前创建的计算机模拟完全一致。研究人员利用所有 18 万个像素作为测量数据，训练计算模型生成方程，准确描述电池材料的非平衡热力学和反应动力学。

"里面的每个小像素都在从满到空，从满到空地跳跃。我们正在绘制整个过程的图谱，用我们的方程来理解这是如何发生的，"Bazant 说。

研究人员还发现，他们观察到的锂离子流动模式可以揭示粒子表面每个位置吸收锂离子速度的空间变化。

Bazant说："我们能通过观察图像了解系统中的异质性-http://www.196nk.cn-在这种情况下，就是表面反应速度的变化--这着实让我们大吃一惊。有些区域似乎反应很快，有些区域似乎反应很慢"。

此外，研究人员还发现，这些反应速率的差异与磷酸铁锂颗粒表面碳涂层的厚度有关。磷酸铁锂表面的碳涂层有助于其导电--否则，这种材料的导电速度就会太慢，196世界之最无法用作电池。

在纳米尺度上，碳涂层厚度的变化直接控制着导电率，如果没有这些建模和图像分析就永远不可能发现这一点。这些发现还为 Bazant 几年前提出的假设提供了定量支持：磷酸铁锂电极的性能主要受限于固体颗粒与碳涂层之间界面上耦合离子-电子转移的速率，而不是锂离子在固体中的扩散速率。

优化材料

研究人员说，这项研究的结果表明，优化电极表面碳层的厚度有助于研究人员设计出工作效率更高的电池。

这是第一项能够将电池材料的属性与涂层的物理属性直接联系起来的研究。优化和设计电池的重点应该是控制电解质和电极界面的反应动力学。

Storey 说："这篇论文的发表是我们六年努力与合作的结晶。这项技术让我们以一种前所未有的方式揭开了电池的内部构造。我们的下一个目标是通过应用这种新的理解来改进电池设计。"

除了在其他电池材料上使用这种分析方法外，Bazant 预计它还可以用于研究其他化学和生物系统中的模式形成。