西安交大锂离子电池研究获得新成果

近日，西安交大金属材料强度国家重点实验室和前沿科学技术研究院齐亮博士和李巨教授，与美国圣地亚国家实验室JianyuHuang，匹兹堡大学ScottMao，西北大平洋国家实验室ChongMinWang等研究人员合作，对锂离子电池负极的充放电过程进行了开创性的研究。他们通过原位高分辨透射电子显微镜技术，首次在纳米尺度上实现对负极材料的充/放电过程的实时观测，发现了锂离子嵌入过程中负极材料形貌和结构的奇特变化，提出了相应的微观反应机制并通过第一性原理计算加以证实。

该项结果已发表在2010年十二月十日的《Science》杂志上，同期杂志还附有锂离子电池领域的权威人士、美国麻省理工学院Yet-MingChiang教授对该论文的专题评述。

锂离子电池是利用锂离子在正极和负极材料中不同的化学势差来储藏和释放能量的一种电化学能量转换装置。充电过程中，正极释放锂离子和电子；锂离子穿过正负极之间的电解质，在负极材料中与充电电源供给的高势能电子结合形成稳定化合物以储藏能量。在放电过程中，负极材料释放锂离子和电子，锂离子通过电解质回到正极，电子通过外电路回到势能更低的正极从而对外释放能量。

相对传统的镍氢电池，锂离子电子拥有高能量和功率密度以及无记忆效应等一系列优点，在手机、笔记本电脑等便携式电器和电动汽车等领域发挥了重要的用途。但如何进一步提高其能量和功率密度（目前锂离子电池汽车充电一次能行驶100~150公里，远低于传统内燃机汽车加满汽油后600~800公里的行驶），大幅度降低充电时间，以及解决在多次使用后容量退化和可靠性问题，成为限制锂离子电池进一步应用的瓶颈。研究锂离子电池充放电的基本微观机制，从根本上找出可能导致电池老化失效的原因已经成为新一代高性能电池的必行之路。

在研究过程中，齐亮博士和李巨教授对实验结果进行了严格的理论分析。他们使用第一性原理计算工具和模拟退火算法，获得与实验结果一致的二氧化锡体积膨胀率，并考虑纳米线在大尺度上的弹性变形，解释了实验所观察到的纳米线体积膨胀的各向异性。同时通过对二氧化锡理论强度的计算，验证了反应前端出现高密度流动位错云的可能性，并解释了该位错结构对纳米材料的机械变形和结构转化的关键性用途。最后通过第一性原理和分子动力学的计算，得到与实验相符的锂离子在纳米线中的扩散系数，验证了锂离子在已反应的纳米线块体中的扩散是整个充电过程的最重要的限速步骤，为将来设计可快速充电的电极材料供应了理论依据。

该项研究得到了西安交大卓越团队计划的资助。齐亮博士的工作是今年暑假在西安交大工作期间做出的。李巨教授是西安交大材料学院长江学者讲座教授。