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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

時間:2022-06-24 08:41來源:蓋世汽車作者:Elisha

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據(jù)外媒報道，對于由復(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，具有動力學(xué)阻礙。

（圖片來源：Skoltech）

隨著電動汽車產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，為了增加單次充電續(xù)航里程，對鋰離子電池能量密度的要求也更高。下一代動力電池以領(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離開其在正極材料結(jié)構(gòu)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(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，動力學(xué)障礙和能量勢壘是由電子轉(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材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)室，能夠用各種高局部性的方法對材料進(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。對于有針對性地開發(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。”

(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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