麻省理工新突破：非均相电极材料动力学表征技术
来自麻省理工学院的马丁·Z·巴赞特教授在世界顶级科学期刊Nature上发布了一项革命性的研究成果。他们通过创新的原位扫描透射X射线显微镜(STXM)技术，揭示了碳包覆磷酸铁锂(LFP)纳米颗粒在电池反应中的非均相动力学特性，为理解和优化电池性能提供了新的非破坏性工具。
细节揭示
研究团队深入探究了锂离子在LFP颗粒中的运动，观察了其在充放电过程中的动态行为。颗粒内部的非均匀性导致锂离子在反应速度快的区域分布更加均匀，这揭示了反应速率的空间异质性。通过62个完整的充放电循环数据，他们不仅获取了颗粒大小、反应速率和锂浓度分布的数据，还应用了Allen-Cahn模型模拟锂浓度变化，并通过BV动力学分析反应速率，与CIET理论进行了精确的对比，验证了理论预测的准确性。
模型与优化
研究中，他们构建了一个空间非均匀的纳米颗粒动力学模型，考虑了动力学热点和k(x, y)的空间依赖。通过PDE约束优化，他们找到了最佳的本构关系和空间异质性参数pglobal和Zi，通过贝叶斯推理最小化误差。交叉验证确保了模型的稳健性，验证误差仅为9.6%，训练误差仅为6.8%。
实验与理论的交汇点
图3展示了反演结果与理论模型的深度对比，不仅在反应动力学上，如j0(c)与CIET理论的一致性，还体现在非平衡态热力学的gh(c)上，它显示出较低的形核能垒。此外，通过化学力学分析，他们发现插入过程导致的晶体各向异性变形，通过模型计算找到了最小能量界面，这为材料的界面工程开辟了新的研究路径。
这项研究的亮点在于，它首次通过实验图像反演技术，动态地揭示了不稳定区域的自由能级图，验证了相分离材料在纳米尺度下的独特行为。这不仅提升了我们对电池反应机理的理解，也为未来的电池设计和性能提升提供了有力的理论支持。详细信息可参考Nature 2023年刊载的文章，DOI:10.1038/s41586-023-06393-x。