編者按:隨著對智能手機,電動汽車和可再生能源的需求持續(xù)增長,研究人員正在尋找改進鋰離子電池的方法,新型陰極材料使鋰離子電池的儲能增加三倍。
鋰離子電池是家用電子產(chǎn)品中最常見的電池類型,也是存儲電網(wǎng)規(guī)模能源的潛在方式。布魯克海文國家實驗室的一個科學家小組已經(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,并擴大風能和太陽能的使用。該團隊研發(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。
“鋰離子電池由陽極和陰極組成,”該團隊的首席科學家秀林秀說。“陰極材料一直是進一步提高鋰離子電池能量密度的瓶頸。”
該團隊合成了一種新的陰極材料,一種改性形式的三氟化鐵(FeF 3),由鐵和氟組成,價格低廉且環(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; 雖然有效,但它只傳輸單個電子,從而限制了陰極。然而,諸如FeF3的化合物可以通過稱為轉(zhuǎn)化反應的更復雜的反應機理轉(zhuǎn)移幾個電子。
盡管FeF3具有增加陰極容量的潛力,但該化合物在過去由于其轉(zhuǎn)化反應的三個并發(fā)癥而在鋰離子電池中效果不佳:能效差(滯后),反應速度慢,以及副反應可以降低其騎行壽命。為了克服這些挑戰(zhàn),科學家們通過稱為化學替代的過程將鈷和氧原子添加到FeF3納米棒中。這讓科學家們操縱反應途徑,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鍵并保留材料的結構。
當鋰離子插入FeF3時,該材料轉(zhuǎn)化為鐵和氟化鋰。但是,反應不是完全可逆的。但是,在用鈷和氧取代后,反應變得更加可逆。
為了研究反應途徑,科學家們進行了幾項實驗。首先,他們使用強大的電子束和稱為透射電子顯微鏡(TEM)的技術,以0.1納米的分辨率觀察FeF 3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程的不同階段如何變化。他們在替代納米棒中看到了更快的反應。
“TEM是一種用于表征非常小長度材料的強大工具,它還可以實時研究反應過程,”該團隊的科學家董蘇說。“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來了解整個電池的功能。“
因此,該團隊通過陰極材料發(fā)送了超亮X射線。通過分析光散射的方式,團隊可以發(fā)現(xiàn)有關材料結構的其他信息。進一步的分析表明,該團隊的化學替代促進了電化學的可逆性。
研究人員還進行了基于密度泛函理論的先進計算方法,以破解原子尺度的反應機制。這表明化學取代通過減小鐵的粒徑和穩(wěn)定巖鹽相而將反應轉(zhuǎn)變?yōu)楦叨瓤赡娴臓顟B(tài)。該研究策略可應用于其他高能轉(zhuǎn)換材料并改進其他類型的電池。
原標題:新型陰極材料使鋰離子電池的儲能增加三倍