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電池技術的突破:從原子層面看待富含鋰元素的電池

2021-06-18
自從200年前伏打首次將銅盤和鋅盤堆在一起以來,電池技術已經取得了長足的進步。雖然技術不斷從鉛酸電池發展到鋰離子電池,但仍存在許多挑戰,如實現更高的密度和抑制枝晶生長。專家們正在競相解決全球對高能效和安全電池日益增長的需求。

重型車輛和飛機的電氣化需要具有更高能量密度的電池。一個研究小組認為,要想對這些行業的電池技術產生重大影響,必須進行范式轉變。這種轉變將利用富鋰正極中的陰離子還原-氧化機制。發表在《自然》雜志上的研究結果標志著首次在富鋰電池材料中直接觀察到這種陰離子氧化反應。

合作機構包括卡內基梅隆大學、東北大學、芬蘭的拉彭蘭塔-拉赫蒂科技大學(LUT),以及日本的機構,包括群馬大學、日本同步輻射研究所(JASRI)、橫濱國立大學、京都大學和立命館大學。

富鋰氧化物是有前途的正極材料類別,因為它們已被證明具有高得多的存儲容量。但是,有一個電池材料必須滿足的 "和問題":材料必須能夠快速充電,對極端溫度穩定,并可靠地循環數千次??茖W家們需要清楚地了解這些氧化物如何在原子水平上工作,以及它們的基本電化學機制如何發揮作用,以解決這個問題。

正常的鋰離子電池通過陽離子氧化還原作用來工作,當鋰被插入或移除時,金屬離子會改變其氧化狀態。在這個插入框架內,每個金屬離子只能儲存一個鋰離子。然而,富含鋰的陰極可以儲存更多。研究人員將此歸功于陰離子氧化還原機制--在這種情況下是氧氧化還原。這是材料的高容量的機制,與傳統的陰極相比,其能量儲存幾乎翻了一番。盡管這種氧化還原機制已經成為電池技術的主要競爭者,但它標志著材料化學研究的一個支點。

該團隊著手利用康普頓散射為該氧化還原機制提供確鑿的證據,康普頓散射是指光子與粒子(通常是電子)相互作用后偏離直線軌跡的現象。研究人員在SPring-8進行了復雜的理論和實驗研究,這是世界上最大的第三代同步輻射設施,由JASRI運營。同步輻射包括狹窄、強大的電磁輻射束,當電子束被加速到(幾乎)光速并被磁場強迫以彎曲的路徑行駛時,就會產生這種輻射??灯疹D散射變得可見。研究人員觀察到位于可逆和穩定的陰離子氧化還原活動核心的電子軌道是如何被成像和可視化的,并確定其特征和對稱性。這一科學首創可能會改變未來電池技術的游戲規則。

雖然以前的研究提出了陰離子氧化還原機制的替代解釋,但它無法提供與氧化還原反應相關的量子力學電子軌道的清晰圖像,因為這無法通過標準實驗進行測量。
當研究小組第一次看到理論和實驗結果之間在氧化還原特性方面的一致性時,他們意識到分析工作可以描繪出負責氧化還原機制的氧氣狀態,這對電池研究來說是非常關鍵的。

"我們有確鑿的證據支持富鋰電池材料中的陰離子氧化還原機制,"卡內基梅隆大學機械工程系副教授Venkat Viswanathan說。"我們的研究為富鋰電池在原子尺度上的運作提供了一個清晰的圖景,并為設計下一代陰極以實現電動航空提出了路徑。高能量密度陰極的設計代表了電池的下一個前沿領域"。

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