研究人員發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，一國際團隊發現了此種電池在充放電循環過程中發生能量損失的原因。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）
隨著電動汽車產業迅速發展，為了增加單次充電續航里程，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（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以及在不同電池充電狀態下的氧離子進行光譜分析。結果發現，正是氧化的鎳離子形成了長壽命的電子態。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揮獨特的作用。對于有針對性地開發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勢。”
(責任編輯：子蕊)
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