研究人員發(fā)現鋰離子電池正極能量損失的原因
時間:2022-06-24 08:41來源:蓋世汽車 作者:Elisha
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據外媒報道，對于由復雜的過渡金屬富鋰氧化物制成正極的鋰離子電池，一國際團隊發(fā)現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。該團隊由斯科爾科沃理工學院（Skoltech）及來自法國、美國和瑞士的研究人員組成。這項新研究表明，充放電時的工作電壓差異，導致能量效率低下，這是由于鎳的中間物質壽命長，具有動力學阻礙。
（圖片來源：Skoltech）
隨著電動汽車產業(yè)迅速發(fā)展，為了增加單次充電續(xù)航里程，對鋰離子電池能量密度的要求也更高。下一代動力電池以領先正極材料為基礎，如過渡金屬的富鋰復合氧化物。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的氧離子，目前保持比容量紀錄。然而，在電池運行過程中，電壓滯后（即充放電電壓差異）導致能量損失，使其實際應用受到影響。
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離開其在正極材料結構上的位置，并在電池放電時回到原位。為了使正極材料保持電中性，它應該釋放或吸收相同數量的電子。此項研究表明，在很大程度上，動力學障礙和能量勢壘是由電子轉移造成的，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致正極晶體結構發(fā)生變化。通過高分辨率透射電子顯微鏡，也就是先進成像核心設施的泰坦Themis Z顯微鏡，可以獲得確鑿的證據，證明這種不可逆過程不會發(fā)生。泰坦Themis Z的空間分辨率高達0.06 nm，能夠獲得晶體結構的原子分辨率圖像。
這種顯微鏡本身就是一個材料科學實驗室，能夠用各種高局部性的方法對材料進行分析。在此項研究中，研究人員不僅使用結構圖像，還對鎳和鈦離子的電子態(tài)以及在不同電池充電狀態(tài)下的氧離子進行光譜分析。結果發(fā)現，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了這一點。
高級成像核心設施負責人Yaroslava Shakhova表示：“此項研究顯示，在研究具有高實用價值的材料方面，現代透射電子顯微鏡能夠發(fā)揮獨特的作用。對于有針對性地開發(fā)具有獨特功能的材料，從局部層面了解晶體和電子結構，具有重要意義。Skoltech有能力進行這方面的研究，這是其重要的競爭優(yōu)勢。”
(責任編輯：子蕊)
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