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壓力作用可以提高鋰離子電池電導(dǎo)率

鉅大LARGE  |  點(diǎn)擊量:1398次  |  2020年03月07日  

可充放電電池,已經(jīng)成為信息時(shí)代不可或缺的日常用品之一。它的廣泛應(yīng)用成功解放了許多原本不能移動(dòng)的用電設(shè)備和儀器,促進(jìn)了電子、信息、運(yùn)輸?shù)戎T多產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展。雖然鋰離子電池已經(jīng)開(kāi)始被應(yīng)用于電動(dòng)汽車,但是目前最先進(jìn)的鋰離子電池的儲(chǔ)能密度尚不足汽油燃料能量密度的五分之一。因此,發(fā)展具有更優(yōu)性能的電池材料迫在眉睫。


尖晶石型鈦酸鋰(Li4Ti5O12,LTO)被稱為“零應(yīng)變”鋰離子電池材料,其結(jié)構(gòu)很穩(wěn)定,在鋰離子嵌入和脫出過(guò)程中其晶胞體積幾乎不變。較高的晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性使它具有優(yōu)良的循環(huán)性能和穩(wěn)定的放電電壓。除此之外,它還具有較高的電極電壓和較快的充放電速度等優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu)勢(shì)使LTO成為重要的鋰離子電池材料。然而美中不足,LTO的電導(dǎo)率很低,束縛了其在高功率電池需求中的應(yīng)用。為了提高其電導(dǎo)率,科學(xué)家們做了大量的研究和探索,但效果并不顯著。


壓力,作為重要的熱力學(xué)參數(shù),可以改變物質(zhì)的原子間距,并引發(fā)一系列材料結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的變化。很多常溫常壓下穩(wěn)定的材料,在高壓下都會(huì)發(fā)生壓致相變,從而產(chǎn)生一種或多種新型化合物,可見(jiàn)壓力為新材料的探索供應(yīng)了一個(gè)新的維度。因此,高壓下探索和合成新型材料已經(jīng)成為一個(gè)重要的研究方向。然而,關(guān)于鋰離子電池材料,壓力通常會(huì)限制鋰離子在晶格中的遷移和擴(kuò)散,導(dǎo)致較低的鋰離子電導(dǎo)率,阻礙了其在鋰離子電池中的應(yīng)用。


最近,北京高壓科學(xué)研究中心王霖課題組和我國(guó)科學(xué)院地球化學(xué)研究所、北京物理研究所等多個(gè)單位合作,結(jié)合原位高壓實(shí)驗(yàn)研究和第一性原理計(jì)算的方法,對(duì)LTO在高壓下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和電導(dǎo)率等性質(zhì)進(jìn)行了細(xì)致的研究。相關(guān)研究結(jié)果以“Li-ionbatterymaterialunderhighpressure:amorphizationandenhancedconductivityofLi4Ti5O12”為題在線發(fā)表于《國(guó)家科學(xué)評(píng)論》。


在該項(xiàng)研究中,作者利用金剛石對(duì)頂砧高壓原位測(cè)量技術(shù),對(duì)LTO在高壓下的結(jié)構(gòu)相變和電導(dǎo)率進(jìn)行了表征,發(fā)現(xiàn)LTO在高壓下結(jié)構(gòu)并不穩(wěn)定,會(huì)發(fā)生畸變;當(dāng)壓力達(dá)到270,000大氣壓時(shí),由于晶格畸變過(guò)于嚴(yán)重,會(huì)發(fā)生不可逆的非晶相變。卸壓過(guò)程中發(fā)現(xiàn),該非晶相的LTO可以保留至常壓。原位電導(dǎo)率測(cè)量發(fā)現(xiàn),該非晶化LTO在高壓下和常壓下都有更高的電導(dǎo)率。


利用第一性原理計(jì)算,該團(tuán)隊(duì)對(duì)LTO在高壓下的相變以及電導(dǎo)率變化機(jī)理進(jìn)行了深入研究。計(jì)算結(jié)果表明,高壓下LTO晶格中的兩種組成單元LiO6和TiO6八面體的壓縮率差別很大;LiO6的壓縮率不足TiO6的四分之一。這導(dǎo)致了LTO在高壓下的不穩(wěn)定,從而晶格發(fā)生畸變。隨著壓力升高,畸變?cè)絿?yán)重,在約270,000大氣壓時(shí)導(dǎo)致了非晶化。該非晶化的LTO為鋰離子的遷移供應(yīng)了更多的空位,因而即使在室溫下也具有較高的鋰離子電導(dǎo)率。


該研究結(jié)果增進(jìn)了我們對(duì)高壓下LTO結(jié)構(gòu)性能和導(dǎo)電性能的理解。由于擁有更高的離子電導(dǎo)率,非晶態(tài)LTO很可能成為一種潛在的優(yōu)秀鋰離子電池材料。更重要的是,本研究表明,壓力作用可以提高材料的離子電導(dǎo)率,從而為開(kāi)發(fā)更多較高離子電導(dǎo)率的鋰離子電池材料供應(yīng)了一條新的途徑。


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