TRIZ理论在电极材料中的应用

目前,TRIZ理论被广泛应用于创新问题的研究，但很少应用于基础学科领域。经过分析总结，我们发现TRIZ理论在电极材料的研究过程中随处可见。TRIZ理论对系统的综合分析角度和创新原理可广泛应用于各个领域，包括基础科学研究。TRIZ该理论可以为广大科研人员在开发和改进材料时提供解决问题的大方向和思路。

我们以磷酸铁锂的阳极为微系统，对系统进行分析，如图1所示:

电池放电时，锂离子通过电解液从负极迁移到正极材料表面的SEI膜上，再通过SEI膜进入正极颗粒；另一方面，电子通过外部连接路径流入阴极材料颗粒，通过集电器的传导，在阴极材料颗粒中完成还原反应。可以看出，以磷酸铁锂为正极材料的电池的倍率性能取决于锂离子和电子在整个过程中的传输速度。查看系统的五个组件:

(1)电解液:电解液中锂离子电导率的数量级为10-3s/cm；

(2) SEI膜:磷酸铁锂用电解液形成的SEI膜薄而稳定，SEI膜的孔径大小使得锂离子通过的影响可以忽略不计；

(3)正极材料磷酸铁锂:电子电导率为10-9 S/cm，锂离子扩散速率为10-14 ~ 10-11 cm2/S；

(4)集流体为铝箔，是电子的良导体，其对速度的影响忽略不计；

(5)外部导线是电子的良导体，对速度的影响可以忽略不计。

根据系统中各组成部分的分析，速度控制步骤是整个过程中最慢的部分，即磷酸铁锂材料的离子电导率和电子电导率过低。因此，有必要提高材料的电子电导率和离子电导率。我们通过物理场来分析磷酸铁锂这个组件在系统中的作用，如图2所示:

磷酸铁锂材料传输电子的能力不足。利用标准解决方案的思想，我们可以引入第三方来帮助他们加强运输功能。因此，第一个研究思路是在磷酸铁锂材料中加入优良的导电剂来增强正极活性材料，例如加入石墨烯、碳纳米管等导电剂可以有效提高电池的倍率性能。

然后，我们利用三轴分析中的因果轴方法分析了磷酸铁锂材料的离子电导率和电子电导率的根本原因。首先我们必须了解磷酸铁锂/的晶体结构，如图3所示:

图3中的磷酸铁锂中的氧原子排列成六边形紧密堆积，铁和锂原子被分成八面体中心，氧原子堆积在八面体中心。而磷原子占据氧原子四面体的4c位置。另一方面，在bc平面上，FeO6的每两个八面体共享一个O原子。同时，每个FeO6八面体分别与两个LiO6八面体共面，而每个PO4基团分别与FeO6八面体和LiO6八面体有一条和两条公共边。

磷酸铁锂中FeO6八面体和LiO6八面体之间的四面体PO4限制了锂离子在充放电过程中的插入和取出，这是离子电导率低的根本原因。同时，电子传导只能通过共价键Fe-O-Fe进行，这是磷酸铁电子电导率低的根本原因。因此，磷酸铁锂本身的结构特点是其在充放电过程中充放电倍率性能不佳的本质原因。然而，正是因为磷酸铁锂的特殊结构，使其具有了其他正极材料所不具备的一系列优异性能。例如，锂和氧之间的共价键结构使这种材料在高温下很难释放氧，这使其热力学稳定。

通过对磷酸铁锂材料子系统中的四个原子:Li、O、P、Fe的分析，可以看出磷酸铁锂材料的缺陷和优势来自于它的NaSICON结构。这是一组物理矛盾。在解决这个矛盾的同时，需要保留这种结构带来的优势，改善这种矛盾带来的劣势。寻求通过创新解决矛盾的思路原理；

(1)保留磷酸铁锂 material的结构，即保留其所有优点。同时，采用创新原理中和的思路，使原有的微米级粒子纳米化。纳米颗粒有效缩短了锂离子在材料中扩散所需的路径，减少了扩散所需的时间，从而提高了倍率性能。

(2)借助超级系统的组件改进磷酸铁锂系统，而不改变磷酸铁锂的结构。磷酸铁锂本身导电性差，所以我们给磷酸铁锂颗粒涂上一些断电性能好的物质，帮助它们导电。

(3)保留磷酸铁锂材料的NaSICON结构，加入一些其他元素取代原来的原子位置，从而提高晶体的无序程度，产生有利于电子和离子传导的缺陷，从而提高电学性能。

目前，关于优化磷酸铁锂的报告可以按照上述思路分为三类:

(a)研究用于改善晶粒尺寸和纳米化的材料。如刘等合成的纳米磷酸铁锂/碳材料，在80℃下可满足95 mAh/g的放电速率。

(b)材料表面涂有导电性良好的碳或金属离子。例如，水热合成法在磷酸铁锂颗粒表面包覆导电性能良好的石墨烯时，在10°C速率下的比容量可达110 mAh/g，涂层形貌如图4所示:

(c)金属离子掺杂。如Chung等采用了高价金属离子(Nb5+、Ti4+、W6+等)掺杂锂离子的位置。)在磷酸铁锂晶格中，使磷酸铁锂和磷酸铁锂+晶格中的铁原子以混合价的形式存在。如图5所示，材料的电子电导率大大提高，从而提高了电池的倍率性能，在21.5°c的倍率下，比容量超过60 mAh/g。

粗略估计，关于磷酸铁锂正极材料的研究报告数量已经达到104个数量级，具体内容可以概括为TRIZ理论分析磷酸铁锂材料结构分析、电子电导率和离子电导率的计算、电导率改性的实验和理论研究三个方向。经过人们的不懈努力，磷酸铁锂的电池体系能量密度和主要技术指标已接近其理论值，是我国主要锂电池企业开发电动汽车用电池材料的主要电池材料。

基于氟化石墨材料的高比能量原电池中的氟化石墨材料和磷酸铁锂材料也面临类似的问题。它们也是具有低电子电导率和离子电导率的相变反应材料。通过TRIZ，可以得到优化氟化石墨材料的思路和方案。