賴斯材料科學家唐明（Ming Tang）和研究生楊凱琪（Kaiqi Yang）進行的新模擬顯示在材料化學雜志A上，該模擬表明，廣泛使用的磷酸鐵鋰正極中的應力過大，會導致裂紋開裂并迅速使電池退化。

這項工作擴展了賴斯最近的研究，該研究證明了在構成陰極的顆粒中添加缺陷如何通過幫助鋰更有效地移動將電池性能提高多達兩個數(shù)量級。

賴斯大學研究生楊凱琪（左）和材料科學家唐明（Ming Tang）確定，某些有意缺陷的鋰離子電池的快速充電和放電會降低其性能和耐久性。Jeff Fitlow攝

但是實驗室隨后的建模研究揭示了一個警告。在快速充電和放電的壓力下，負載缺陷的陰極有破裂的風險。

賴斯布朗工程學院材料科學與納米工程學助理教授唐說：“傳統(tǒng)的情況是，鋰均勻地進入陰極，富鋰區(qū)域平滑地擴展到陰極的中心?！?/span>

但是在另一個實驗室拍攝的X射線圖像顯示出其他東西。他說：“他們看到了富鋰區(qū)和貧鋰區(qū)之間的手指狀邊界，就像將水注入油中一樣。” “我們的問題是，這是什么原因造成的？”

唐說，問題的根源似乎在于壓力破壞了最初平坦的邊界并使之變得波浪形。邊界形狀的變化進一步增加了應力水平并觸發(fā)了裂紋的形成。Tang小組的研究表明，這種不穩(wěn)定性可以通過電池混合物中一種常見的缺陷類型（稱為反位點）來增加，其中鐵原子占據(jù)了晶體中應有鋰原子的斑點。

唐說：“抗靜電劑可能是一件好事，正如我們在上一篇文章中所展示的那樣，因為它們可以加速鋰的嵌入動力學，但是在這里我們顯示出一種反作用：粒子中的抗靜電劑太多會促使移動的界面變得不穩(wěn)定，并且因此會產(chǎn)生更大的壓力?！?/span>

詳細描述

左圖，萊斯大學材料科學家的3D模型顯示了脫鋰磷酸鐵鋰陰極快速放電時的相界。右側(cè)的橫截面顯示了磷酸鐵（藍色）和鋰（紅色）之間的“手指狀”邊界。賴斯工程師發(fā)現(xiàn)，太多旨在使電池更好的故意缺陷實際上會降低其性能和耐用性。由中尺度材料科學小組提供

Tang認為，陰極上存在許多反位點是一個甜蜜點：足以增強性能，但很少能促進不穩(wěn)定性。他說：“您希望有適當水平的缺陷，這將需要反復試驗才能弄清楚如何通過退火顆粒達到正確的數(shù)量?！?nbsp;“我們認為我們的新預測可能對實驗家有用?！?/span>

美國能源部（DOE）支持該研究。在德克薩斯大學德克薩斯高級計算中心和美國能源部國家能源研究科學計算中心的超級計算機上進行了仿真。