已經開發出一種新技術來確定鋰離子電池的石墨陽極內的鋰濃度梯度。眾所周知，交通系統電氣化的關鍵之一就是快速充電。盡管最新的電動汽車(EV)的續航里程每次充電可達300英里或更多，但普遍的共識是，在全國范圍內長途跋涉將需要快速充電 - 在15至20之間增加200-300英里的續航里程分鐘。現在可以將150千瓦(kW)或更高功率泵入鋰離子電池組的高功率直流充電器，但電池單元如何對高功率和電流水平做出反應可能會有問題。

市售的鋰離子電池使用多孔石墨負極(陽極)和金屬氧化物正極(陰極)。液體電解質允許在充電和放電期間鋰離子在兩個電極之間通過。在充電期間，鋰離子被插入(插入)在石墨陽極的碳原子之間。在放電期間，鋰離子從石墨中提取并插入陰極結構中。在充電/放電循環速率小于1C(電池容量在1小時內完全放電)時，鋰離子電池可以經歷數百次循環而容量降低很少。

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然而，如果電池組以高于1C的速率充電，則鋰離子電池的容量，循環壽命和熱穩定性降低。理論研究表明，在高充電速率下的這種降解是由陽極表面的鋰電鍍和石墨電極本身的鋰離子濃度梯度引起的。

除了其他因素之外，在陽極中形成的鋰梯度取決于鋰擴散系數，嵌入速率，陽極厚度及其孔隙率和曲折度的復雜相互作用。石墨具有特別高的曲折度，主要是因為其薄餅狀薄片形成層。將鋰離子移動到石墨的不對準平面中會使得難以發生顯著的嵌入。此外，鋰嵌入石墨的可能性非常接近引起鋰電鍍的可能性。如果鋰難以進入石墨陽極，則可以將其作為金屬沉積在石墨顆粒上，特別是在陽極表面附近。

石墨電極中產生的鋰離子梯度(電解質表面附近的最高濃度，通過陽極厚度移動的濃度較低)也會導致電池極化，允許在鋰完全充電之前達到截止電壓從陰極中提取，從而降低電池容量。梯度也會在石墨內引起結構應力，導致斷裂。已經觀察到，流過電池的充電電流越高，這些鋰梯度越陡，可以在石墨陽極內。

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盡管石墨陽極中鋰離子的濃度梯度已被廣泛建模，但對該現象幾乎沒有直接的實驗觀察和量化。這是阿貢國家實驗室最近研究的目標，其中正在研究快速直流充電，以加速電動汽車的驗收。通過使用能量色散X射線衍射(EDXRD)，ANL研究人員能夠在1C的速率下在鋰離子電池的充電和放電期間空間分辨鋰濃度分布。正如Argonne資深科學家Daniel Abraham在設計新聞中所解釋的那樣，當鋰嵌入石墨晶體中時，它填充石墨烯片之間的層，產生獨特的，有序的LixC6階段。以前在石墨電極中原位可視化鋰離子梯度的嘗試使用光學顯微鏡。該方法可以在LixC6相的連續中產生定性的見解，其形成但難以分離混合相的貢獻，特別是當組分在石墨顆粒上變化時。

根據亞伯拉罕的說法，Argonne的新方法可以對LixC6相的演替進行定性分析。在使用X射線的方法中，LixC6相的濃度分布對應于它們的體積平均值，在各個顆粒上積分并量化這些顆粒中每個有序相的分數。通過該量化，可以確定固體基質中每個探測層的精確相組成。因為只有有序的LixC6相對于X射線衍射信號有貢獻，在電解質中未檢測到鋰離子和/或在基質中檢測到潛在的無序固體化合物。使用EDXRD技術，研究了在充電和放電期間形成的LixC6相的連續性，空間分辨率為20μm，時間分辨率為1分鐘。

ANL的工作已發表在能源與環境科學雜志上。根據阿貢研究人員的說法，一個意想不到的觀察結果表明，充電和放電之間鋰濃度的特性存在很強的不對稱性，這表明高速脫鋰過程中相變的復雜特征可能涉及較少有序的相。

這項研究產生了一種有用的工具，不僅有助于理解鋰與石墨陽極的相互作用，而且還將在開發更有效的電池組件和材料方面發揮重要作用。根據Argonne的Abraham，“我們的方法提供了對實際鋰離子電池中電化學過程的見解。這些數據可用于設計高性能電極，這些電極在操作過程中表現更均勻，并可用于驗證和改進電池模型。“