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研究人員發(fā)現(xiàn)鋰離子電池正極能量損失的原因

時(shí)間:2022-06-24 08:41來源:蓋世汽車 作者:Elisha
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       據(jù)外媒報(bào)道,對(duì)于由復(fù)雜的過渡金屬富鋰氧化物制成正極的鋰離子電池,一國際團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了此種電池在充放電循環(huán)過程中發(fā)生能量損失的原因。該團(tuán)隊(duì)由斯科爾科沃理工學(xué)院(Skoltech)及來自法國、美國和瑞士的研究人員組成。這項(xiàng)新研究表明,充放電時(shí)的工作電壓差異,導(dǎo)致能量效率低下,這是由于鎳的中間物質(zhì)壽命長,具有動(dòng)力學(xué)阻礙。

(圖片來源:Skoltech)
 
       隨著電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展,為了增加單次充電續(xù)航里程,對(duì)鋰離子電池能量密度的要求也更高。下一代動(dòng)力電池以領(lǐng)先正極材料為基礎(chǔ),如過渡金屬的富鋰復(fù)合氧化物。這種正極材料憑借過渡金屬(鎳和鈷)的陽離子,以及參與氧化還原反應(yīng)的氧離子,目前保持比容量紀(jì)錄。然而,在電池運(yùn)行過程中,電壓滯后(即充放電電壓差異)導(dǎo)致能量損失,使其實(shí)際應(yīng)用受到影響。
 
       研究人員表示,在鋰離子電池充電過程中,帶正電荷的鋰離子會(huì)離開其在正極材料結(jié)構(gòu)上的位置,并在電池放電時(shí)回到原位。為了使正極材料保持電中性,它應(yīng)該釋放或吸收相同數(shù)量的電子。此項(xiàng)研究表明,在很大程度上,動(dòng)力學(xué)障礙和能量勢(shì)壘是由電子轉(zhuǎn)移造成的,而不僅僅是鋰離子的遷移。金屬離子和氧原子之間的電子轉(zhuǎn)移特別緩慢,從而引起能量損失。
 
       為了捕捉這些長壽命的電子態(tài)(electronic states),研究人員首先排除了其他可能引起滯后的原因,例如過渡金屬離子遷移導(dǎo)致正極晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。通過高分辨率透射電子顯微鏡,也就是先進(jìn)成像核心設(shè)施的泰坦Themis Z顯微鏡,可以獲得確鑿的證據(jù),證明這種不可逆過程不會(huì)發(fā)生。泰坦Themis Z的空間分辨率高達(dá)0.06 nm,能夠獲得晶體結(jié)構(gòu)的原子分辨率圖像。
 
       這種顯微鏡本身就是一個(gè)材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)室,能夠用各種高局部性的方法對(duì)材料進(jìn)行分析。在此項(xiàng)研究中,研究人員不僅使用結(jié)構(gòu)圖像,還對(duì)鎳和鈦離子的電子態(tài)以及在不同電池充電狀態(tài)下的氧離子進(jìn)行光譜分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn),正是氧化的鎳離子形成了長壽命的電子態(tài)。后來其他光譜分析方法也證實(shí)了這一點(diǎn)。
 
       高級(jí)成像核心設(shè)施負(fù)責(zé)人Yaroslava Shakhova表示:“此項(xiàng)研究顯示,在研究具有高實(shí)用價(jià)值的材料方面,現(xiàn)代透射電子顯微鏡能夠發(fā)揮獨(dú)特的作用。對(duì)于有針對(duì)性地開發(fā)具有獨(dú)特功能的材料,從局部層面了解晶體和電子結(jié)構(gòu),具有重要意義。Skoltech有能力進(jìn)行這方面的研究,這是其重要的競爭優(yōu)勢(shì)。”
 
(責(zé)任編輯:子蕊)
文章標(biāo)簽: 鋰離子電池 電池正極
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