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【GDS微课堂-4】日本锂电池研发界的“秘密武器”
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最近某款手机广告语“充电5分钟，通话两小时”道出了多少人的心声：如果锂电池可以持续更长时间，那我们就不用再带着充电宝出门了。 日本在锂电池的研发中一直处于全球领先地位，可你知道他们都在用什么设备进行研发吗？ 接下来，Follow Me! 一起看看日本如何利用GDS解析锂电池。  在揭示现象与本质间千丝万缕的关系前，我们要先对本质有个了解，简单的说：我们得先知道锂电池是如何工作的。 锂电池的工作过程就像下图所表示的，充电时电池阳极会跑出很多锂离子，锂离子经过电解液跑到阴极，并迅速抢占座位——钻入阴极微孔中，成功抢占座位的锂离子越多，说明充电容量会越高。 而我们使用电池时（电池放电过程），钻入阴极微孔中的锂离子就会重新跑回阳极。同样回到阳极的锂离子越多，表示使用电池的时间会越长。 大家理解了吗？手机电池充放电其实就是锂离子在阳极与阴极间来回跑步的过程，跑到终点站的锂离子越多，代表电容量越高，也越可能实现“充电2分钟，通话两小时”。  了解了上述原理后，就不难理解，锂电池在使用一段时间后，充电越来越频繁，放电时间越来越短，本质原因是来回奔跑的锂离子数量减少了，那么这些锂离子是如何消失的呢？这就需要GDS的帮忙了。 图3. 锂电池充电、放电后阳极主要元素随深度的变化（GDS） 如上图显示，利用GDS测出了锂电池阳极中主要元素在单次充、放电后含量随深度的变化，整个反应贯穿阳极镀层60微米。（除了观察单次充放电后电极元素的变化，GDS也可以分析多次充、放电后，电极中各元素浓度相对于初次充、放电的变化。） 通过研究这些变化，我们可以发现锂电池在充、放电过程中会有副反应发生。副反应会在锂电池阳极表面形成副产物导致反应电阻增加，而使得锂电池的功率衰退。也就是说锂离子会因为副反应而减少，从而影响锂电池的性能。  了解了影响电池性能的因素后，改进方向就变得清晰了。 接下来我会以在电池阳极涂覆磷酸镧层这一常见改善电池性能技术为例，简单为大家介绍这时GDS又是如何施展拳脚的。 下面的两张图是GDS对没有涂覆磷酸镧层的锂电池性能检测结果，上面的图表示正常情况下镀层元素（Ni,Co,Mn）的变化趋势，下图则是环境变化（50摄氏度存储7天）后，镀层元素的变化趋势。可以看出一旦环境发生改变，镀层元素含量变化趋势发生了明显变化，而这代表了锂电池的性能还不够稳定。 图a表示存储前；图b表示在50摄氏度存储7天 现在我们再来看看GDS对涂覆过磷酸镧层的锂电池性能检测的结果，可以看出：即使环境发生改变，镀层元素（Ni,Co,Mn）含量的变化趋势也没有发生太大变化，和没有涂覆磷酸镧层相比，锂电池的性能稳定性得到了明显提高。 图a表示存储前；图b表示在50摄氏度存储7天后 以上结果来源于The effects of LaPO4 coating on the electrochemical properties of Li[Ni0.5Co0.2Mn0.3]O2 cathode material (H.G. Song et al. / Solid State Ionics xxx (2012) xxx–xxx) 利用GDS，我们发现磷酸镧包覆层能有效地抑制相变，保证电极在不同的存放环境中都能很稳定，从而改善电池的循环性。 所以说通过GDS对锂电池电极的分析，我们可以研究电极改性、循环副反应、电池寿命等过程，从本质上获得锂电池性能改进的方案。 未来，开发应用于混合动力车和燃料混合动力车的大功率锂电池将成为主流，相信GDS在这一过程中也将扮演者重要角色。 GDS微课堂 GDS作为一种新型镀层元素分析技术，正逐渐在各个领域崭露头角。 6月8日起资深光谱专家Dr. JY 将通过HORIBA Scientific微信公众号，采用片段式教学，充分利用大家的碎片化时间，带领大家深度剖析GDS，学习新技术，提高实验效率。  |
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