鋰電池已經(jīng)廣泛應(yīng)用在手機(jī)和電動(dòng)車上。鋰電池正負(fù)極材料的納米和微米單顆粒是構(gòu)成鋰電池極片的基本活性單元，如何建立研究方法測量單顆粒納米和微米晶體的電池性能是這個(gè)領(lǐng)域具有挑戰(zhàn)性的課題，其研究的困難在于：在普通的電池性能的電化學(xué)測試的過程中，我們用的都是具有一定厚度的極片，里面包含了濃差極化、電化學(xué)極化以及顆粒之間的相互作用等信息，單個(gè)納米顆粒的特性被覆蓋在了上述復(fù)合信息中，得不到真實(shí)的鋰電池材料單個(gè)納米顆粒的真實(shí)的信息。為了更好地設(shè)計(jì)鋰電池和開發(fā)下一代鋰電池材料，鋰電池單個(gè)顆粒的電化學(xué)研究就顯得十分有必要，這需要新的方法，新的思維。
圖1. 單納米顆粒分散的超薄的電極和電化學(xué)測量及模擬計(jì)算
北京大學(xué)深圳研究生院新材料學(xué)院潘鋒教授課題組發(fā)展了一種制備單納米顆粒分散的超薄的電極的制備方法，在這種電極上的顆粒完全分散在碳納米管網(wǎng)絡(luò)中，然后進(jìn)行電化學(xué)測試。同時(shí)課題組開發(fā)單顆粒納米電化學(xué)計(jì)算模型，這種單顆粒模型借助實(shí)驗(yàn)得到的充放電曲線（鋰離子濃度和電壓之間的關(guān)系）和CV（電流與電壓的關(guān)系）曲線，進(jìn)行模擬計(jì)算，得到單納米顆粒的界面反應(yīng)常數(shù)和鋰離子體相擴(kuò)散系數(shù)。
圖2： 磷酸鐵鋰電池納米晶體顆粒的界面結(jié)構(gòu)與鋰電池性質(zhì)的相關(guān)性
通過測量和模擬計(jì)算不同溫度條件下不同電解液環(huán)境體系中的單顆粒信息，該課題組首次提出了電化學(xué)界面動(dòng)力學(xué)反應(yīng)的前置因子與鋰離子在單個(gè)顆粒上的溶劑化和脫溶劑化過程活化能直接關(guān)聯(lián)，同時(shí)將納米晶體的界面的結(jié)構(gòu)和電池的電化學(xué)性能可以關(guān)聯(lián)起來。
該研究成果以封面文章發(fā)表在近期的國際材料與能源的頂級科研期刊Advanced Energy Materials (Adv. Energy Mater. 2017, 7, 1601894, 影響因子IF=15.23)上，該工作由潘鋒教授和林原教授指導(dǎo)，由15級博士生胡江濤，13級碩士李文合作完成。
Ref. Jiangtao Hu+, Wen Li+, Yandong Duan, Suihan Cui, Xiaohe Song, Yidong Liu, Jiaxin Zheng, Yuan Lin,* and Feng Pan*“Single-Particle Performances and Properties of LiFePO4 Nanocrystals for Li-Ion Batteries” Adv. Energy Mater. 2017, 7, 1601894.
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