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自1991年鋰離子電池商業(yè)化以來，由于能量密度和效率的不斷提高，鋰離子電池在從小型家電到電動汽車的大部分市場領(lǐng)域都占據(jù)了主導地位。然而，這種電池內(nèi)部發(fā)生的一些現(xiàn)象仍然不清楚，如負極（陽極）材料的膨脹和劣化。

韓國科學技術(shù)研究院（KIST）的研究小組成功地實時觀測到了鋰離子移動引起的電池內(nèi)部負極（陽極）材料的膨脹和劣化。該團隊的研究發(fā)表在《ACS能源快報》（ACS Energy Letters）上。

眾所周知，鋰離子電池的性能和壽命受到充放電過程中內(nèi)部電極材料發(fā)生的各種變化的影響。但是，由于電極和電解質(zhì)等主要電池材料一旦暴露在空氣中，就會立即受到污染，因此很難在使用過程中監(jiān)測這種變化。因此，準確觀察和分析鋰離子遷移過程中電極材料的結(jié)構(gòu)變化是提高性能和安全性的最重要因素。

在鋰離子電池中，鋰離子在充電時移動到陽極，在放電時移動到陰極。KIST研究小組成功地實時觀測了作為大容量電池商用化研究的硅-石墨復合陽極。從理論上講，硅的充電能力是傳統(tǒng)負極材料石墨的10倍。

然而，在充電過程中，納米硅粉的體積是原來的4倍，這使得性能和安全性難以保證。據(jù)推測，硅石墨復合材料成分混合過程中形成的納米孔可以適應電池充電過程中硅的體積膨脹，從而改變電池體積。然而，這些納米孔的作用從來沒有通過電化學電壓曲線的直接觀察得到證實。

KIST研究小組利用自行設計的電池分析平臺，直接觀察了鋰離子在充電過程中遷移到硅-石墨復合陽極的情況，并確定了納米孔的實際作用。研究發(fā)現(xiàn)，在硅-石墨復合材料中，鋰離子依次遷移到碳、納米孔和硅中。

此外，研究團隊注意到，納米尺寸的孔隙傾向于在鋰-硅顆粒（Si鋰化）之前存儲鋰離子（前充鋰化），而微尺寸的孔隙則像之前認為的那樣容納硅的體積膨脹。

因此，研究團隊認為，在設計鋰離子電池的高容量負極材料時，需要一種新的方法，適當分布微納米尺寸的孔隙，以減緩硅的體積膨脹，從而提高材料的安全性。

原標題：鋰離子電池——研究揭示了鋰離子電池中材料退化的秘密