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能使鋰離子電池能量密度增加三倍的陰極材料

鉅大LARGE  |  點(diǎn)擊量:700次  |  2018年08月31日  

隨著對(duì)智能手機(jī),電動(dòng)汽車(chē)和可再生能源的需求持續(xù)增長(zhǎng),研究人員正在尋找改進(jìn)鋰離子電池的方法。鋰離子電池是家用電子產(chǎn)品中最常見(jiàn)的電池類(lèi)型,也是存儲(chǔ)電網(wǎng)規(guī)模能源的潛在方式。布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)科學(xué)家小組已經(jīng)找到了一種提高鋰離子電池能量密度的方法,這可以使電池更耐用,并擴(kuò)大風(fēng)能和太陽(yáng)能的使用。該團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一種能夠使鋰離子電池電極能量密度增加三倍的陰極材料。

“鋰離子電池由陽(yáng)極和陰極組成,”該團(tuán)隊(duì)的首席科學(xué)家秀林秀說(shuō)。“陰極材料一直是進(jìn)一步提高鋰離子電池能量密度的瓶頸。”

該團(tuán)隊(duì)合成了一種新的陰極材料,一種改性形式的三氟化鐵(FeF3),由鐵和氟組成,價(jià)格低廉且環(huán)境友好,已知其本身具有比傳統(tǒng)陰極材料更高的容量。通常用于鋰離子電池的材料基于插層化學(xué);雖然有效,但它只傳輸單個(gè)電子,從而限制了陰極。然而,諸如FeF3的化合物可以通過(guò)稱(chēng)為轉(zhuǎn)化反應(yīng)的更復(fù)雜的反應(yīng)機(jī)理轉(zhuǎn)移幾個(gè)電子。

盡管FeF3具有增加陰極容量的潛力,但該化合物在過(guò)去由于其轉(zhuǎn)化反應(yīng)的三個(gè)并發(fā)癥而在鋰離子電池中效果不佳:能效差(滯后),反應(yīng)速度慢,以及副反應(yīng)可以降低其騎行壽命。為了克服這些挑戰(zhàn),科學(xué)家們通過(guò)稱(chēng)為化學(xué)替代的過(guò)程將鈷和氧原子添加到FeF3納米棒中。這讓科學(xué)家們操縱反應(yīng)途徑,使其更具“可逆性”。

用氧和鈷代替陰極材料可防止鋰破壞化學(xué)鍵并保留材料的結(jié)構(gòu)。

當(dāng)鋰離子插入FeF3時(shí),該材料轉(zhuǎn)化為鐵和氟化鋰。但是,反應(yīng)不是完全可逆的。但是,在用鈷和氧取代后,反應(yīng)變得更加可逆。

為了研究反應(yīng)途徑,科學(xué)家們進(jìn)行了幾項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。首先,他們使用強(qiáng)大的電子束和稱(chēng)為透射電子顯微鏡(TEM)的技術(shù),以0.1納米的分辨率觀察FeF3納米棒。這讓研究人員確定陰極中納米顆粒的確切尺寸,并分析陰極在充放電過(guò)程的不同階段如何變化。他們?cè)谔娲{米棒中看到了更快的反應(yīng)。

“TEM是一種用于表征非常小長(zhǎng)度材料的強(qiáng)大工具,它還可以實(shí)時(shí)研究反應(yīng)過(guò)程,”該團(tuán)隊(duì)的科學(xué)家董蘇說(shuō),“但是,我們只能使用TEM看到樣品的有限區(qū)域。我們需要同步加速器技術(shù)來(lái)了解整個(gè)電池的功能。”

因此,該團(tuán)隊(duì)通過(guò)陰極材料發(fā)送了超亮X射線。通過(guò)分析光散射的方式,團(tuán)隊(duì)可以發(fā)現(xiàn)有關(guān)材料結(jié)構(gòu)的其他信息。進(jìn)一步的分析表明,該團(tuán)隊(duì)的化學(xué)替代促進(jìn)了電化學(xué)的可逆性。

研究人員還進(jìn)行了基于密度泛函理論的先進(jìn)計(jì)算方法,以破解原子尺度的反應(yīng)機(jī)制。這表明化學(xué)取代通過(guò)減小鐵的粒徑和穩(wěn)定巖鹽相而將反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)楦叨瓤赡娴臓顟B(tài)。該研究策略可應(yīng)用于其他高能轉(zhuǎn)換材料并改進(jìn)其他類(lèi)型的電池。

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