奥地利格拉茨技术大学（TU Graz）的研究人员确定了磷酸铁磷（LFP）电池始终低于其理论容量的原因。研究结果发表在先进材料科学杂志上。

微接触测量台，用于研究固态电池的电化学特性。

通过使用原子级显微镜和电子衍射测量，研究人员追踪了锂离子的移动及其如何导致容量损失。

LFP电池是人类为满足能源需求、减少化石燃料使用并转向更清洁能源来源的过程中至关重要的组成部分。无论是在电动汽车还是在电池储能系统（BESS）中，LFP电池都是一种可靠的储能伙伴，因为这种技术成本低且使用寿命长。

LFP电池的能量密度低于镍锰钴（NMC）电池。但是，科学家们也对为什么在实际应用中，LFP电池始终比理论储存容量低25%感到困惑。

格拉茨技术大学的研究团队决定从原子层面研究这一问题，以释放电池的潜在容量。

原子层面的分析

通过使用透射电子显微镜，研究人员追踪了锂离子穿过电池材料时的移动以及它们在磷酸铁阴极晶格结构中的排列方式。

研究团队还制备了完全充电和放电的电池电极样品，并使用电子能量损失光谱和电子衍射测量等技术进行了分析。

“通过结合不同的检测方法，我们能够确定锂在晶体通道中的位置以及它是如何到达那里的。”格拉茨技术大学电子显微镜与纳米分析研究所的尼古拉·西米奇（Nikola Šimić）在一份声明中说道。

格拉茨技术大学研究人员正在使用其中一台电子显微镜研究磷酸铁锂电池的原子级结构。

他们发现了什么？

令他们惊讶的是，研究人员发现即使在电池完全充电时，一些锂离子仍然留在阴极的晶格结构中。这是导致电池容量低于其理论极限的根本原因。

研究人员进一步发现，这些离子在阴极中分布不均，并在分析中将其映射到纳米级。不均匀的分布是由阴极晶格结构的扭曲和变形引起的。

样品材料的高分辨率图像显示锂富集区域（右下）和锂贫乏区域（左上）。

“这些细节提供了关于物理效应的重要信息，这些效应迄今为止抵消了电池的效率，我们可以在材料的进一步开发中考虑这些因素。”参与研究的格拉茨技术大学化学与材料技术研究所高级电化学教授伊利·汉祖（Ilie Hanzu）说道。

研究人员现在对电池及其电极内部发生的离子扩散有了更好的理解。这些实验的方法和经验教训也可以应用于未来的其他电池。

为电池材料的改进和优化提供理论基础

这项研究通过深入分析LFP电池材料中锂离子的运动和分布情况，这项研究为未来改进和优化电池材料提供了重要的理论基础。了解锂离子如何在晶格结构中移动以及残留问题的来源，可以帮助开发新的材料配方或结构设计，从而提高电池的能量密度和实际使用性能。

研究中采用的分析方法（如透射电子显微镜、电子能量损失光谱、电子衍射测量等）和获得的经验教训，可以推广应用于其他类型的电池材料研究。这意味着该研究不仅有助于提高LFP电池的性能，还能为其他电池技术的进步提供新的思路和方法，推动整个电池领域的技术创新和应用扩展。

研究结果表明，电池内部的结构变形和锂离子分布不均可能导致电池性能下降甚至安全问题。通过更深入地理解这些内部结构和离子行为，科学家可以开发更安全的电池材料和设计，以减少潜在的安全风险，如起火或爆炸的风险。