為了早日突破鋰離子電池車輛的續(xù)航里程瓶頸，并實現(xiàn)更長久的電池壽命，豐田剛剛開發(fā)出了一種聽上去“高大上”的新技術(shù)。

 

這項技術(shù)的誕生，使得鋰電池在充放電時，鋰離子在電解液中的移動狀態(tài)將可以被觀察到。

 

就技術(shù)角度而言，鋰離子失衡是造成鋰離子電池性能下降的一大原因。豐田的新技術(shù)就是結(jié)合高強(qiáng)度X射線和含重元素的電解液，利用層疊電池將鋰離子在電解液中的狀態(tài)可視化。這種觀察方法能夠?qū)︿囯x子失衡的情況進(jìn)行實時觀察，從而為提升外插充電式混合動力車（PHEV）和電動車（EV）的續(xù)航里程以及電池的壽命等明確研發(fā)方向。

 

 

*此次新研發(fā)的觀察方法

 

鋰離子電池的正極為金屬氧化物，負(fù)極為碳材料，并采用有機(jī)電解液。在充電時，鋰離子在電解液中從正極移動到負(fù)極。放電時，鋰離子在電解液中則從負(fù)極移動到正極，從而形成電流。因此，電解液中的鋰離子在充放電的過程中發(fā)揮著重要的作用。

*放電時的狀態(tài)

 

經(jīng)過確認(rèn)，充放電會導(dǎo)致電極和電解液中的鋰離子失衡，這是制約電池性能的主要原因之一。在分析鋰離子失衡的機(jī)理時，若利用過去的方法，無法在與產(chǎn)品的使用環(huán)境和條件相同的狀態(tài)下確認(rèn)鋰離子在電解液中的移動狀態(tài)。這令技術(shù)人員很難找到問題的根源，也就無法做到有的放矢。

 

為了解決這個問題，豐田發(fā)布的新的觀察方法有兩個特點。

 

第一，運(yùn)用大型同步輻射設(shè)施“Spring-8”，這是全球最高性能的放射性研究設(shè)施，以國立研究開發(fā)法人理化學(xué)研究所（理研）作為業(yè)主全面運(yùn)營，運(yùn)維管理則由公益財團(tuán)法人高輝度光科學(xué)研究中心（JASRI）負(fù)責(zé)。

 

該設(shè)施擁有的豐田光束線（株式會社豐田中央研究所在理研和JASRI的協(xié)助下設(shè)置的專用光束線）利用強(qiáng)度約為X射線裝置10億倍的高強(qiáng)度X射線，實現(xiàn)了0.65微米/像素的高分辨率以及100毫秒/張的高速測量。

*車載鋰離子電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和原理

 

第二，此觀察方法中使用的，不是大多數(shù)鋰離子電池所使用的含磷電解液，而是含重元素電解液，將在電解液中移動過程中與鋰離子結(jié)合的“含磷離子”替換為“含重元素離子”。

 

與磷相比，重元素具有X射線不易穿透的性質(zhì)，拍攝X射線穿透畫面的陰影會更深，更加明顯。這樣一來，通過觀察重元素的運(yùn)動狀態(tài)，就能夠觀察電解液中，與重元素結(jié)合的鋰離子的失衡動向。

 

通過運(yùn)用上述的方法，便可使用與產(chǎn)品相同的電池（層疊電池），在實際使用環(huán)境和條件相同的狀態(tài)下，實時觀察充放電的經(jīng)過以及電解液中鋰離子失衡的過程。

*放電時電解液中鋰離子失衡

 

當(dāng)然，這項觀察方法的誕生也不是豐田汽車公司一家之功，而是由豐田中央研究所、日本汽車零部件綜合研究所以及北海道大學(xué)、東北大學(xué)、京都大學(xué)、立命館大學(xué)共同研發(fā)的。

此后，技術(shù)人員將可以通過觀察鋰離子在不同正負(fù)極和隔板、電解液的材料和構(gòu)造以及不同電池控制方式下的運(yùn)動狀態(tài)，來分析電池性能下降的機(jī)理，從而推動旨在提升搭載車輛續(xù)航里程以及電池的壽命等電池性能及耐用性的研發(fā)。很多情況下我們會將歐姆阻抗與接觸阻抗混為一談，但是是實際上接觸阻抗與歐姆阻抗還是有很大區(qū)別的，接觸阻抗主要來自于活性物質(zhì)顆粒之間，以及活性物質(zhì)與集流體之間的接觸阻抗，這種阻抗看上去像是一個純電阻，但是考慮到這些顆粒存在比較大的表面積（裸露在電解液之中），因此接觸阻抗實際上可以看作一個歐姆阻抗與電容的并聯(lián)形式，與歐姆阻抗具有不同的弛豫時間，可以通過交流阻抗測試與歐姆阻抗進(jìn)行區(qū)分。

等效電路擬合是處理EIS數(shù)據(jù)最為常見的方法，但是采用等效電路擬合時只有阻抗的弛豫時間的區(qū)別達(dá)到一到兩個數(shù)量級以上時才能進(jìn)行區(qū)分，因此這種方法實際上是一種分辨率較低的方法，因此Xing Zhou在這里并沒有采用等效電路擬合的方法，而是采用了弛豫時間分布（DRT）的方法對交流阻抗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

弛豫時間分布曲線能夠看到在整個范圍內(nèi)包含四個峰P1-P4，每個峰都代表一個弛豫時間不同的阻抗。從下圖a我們能夠看到P1和P2峰與電池的SoC狀態(tài)關(guān)系比較小，而P3和P4峰則與電池的SoC狀態(tài)存在密切的相關(guān)性，我們知道電荷交換阻抗與活性物質(zhì)的荷電狀態(tài)存在密切的關(guān)系，因此P3和P4主要反映的電荷交換阻抗。從下圖b我們注意到隨著溫度的降低幾個主要的峰都出現(xiàn)了一定程度的右移的現(xiàn)象，并且極化阻抗值也出現(xiàn)了明顯的增加，特別是P2峰相比于P1峰受到溫度的影響更大，我們知道SEI膜的阻抗受溫度的影響非常大，而接觸阻抗受溫度影響相對比較小，因此P1峰主要反映接觸阻抗，P2峰主要反映SEI膜阻抗。