中國粉體網(wǎng)訊 隨著對智能手機(jī)，電動(dòng)汽車和可再生能源的需求不斷增長，科學(xué)家們正在尋求改進(jìn)鋰離子電池的方法。鋰離子電池是家用電子產(chǎn)品中最常見的電池類型，也是電網(wǎng)規(guī)模儲(chǔ)能的有發(fā)展前景的解決方案。提高鋰離子電池的能量密度可以促進(jìn)長效電池先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，以及促進(jìn)風(fēng)能和太陽能的廣泛使用�，F(xiàn)在，研究人員在實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)方面取得了重大進(jìn)展。
由馬里蘭大學(xué)（UMD），美國能源部（DOE）布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室，美國陸軍研究實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的科研小組，合作開發(fā)并研究了一種能使鋰離子電池電極能量密度提高3倍的新型陰極材料。他們的研究于6月13日在“Nature Communications”雜志上發(fā)表。
“鋰離子電池包括一個(gè)陽極和一個(gè)陰極，”UMD的科學(xué)家，該論文的主要作者之一，Xiulin Fan說。“與用于鋰離子電池的商用石墨陽極的大容量相比，陰極的容量受限得多，陰極（即正極）材料一直是進(jìn)一步提高鋰離子電池能量密度的瓶頸�！�
UMD的科學(xué)家們合成了一種新的陰極材料，這種材料是一種經(jīng)過改造和設(shè)計(jì)的三氟化鐵（FeF3），由具有成本效益和環(huán)境友好的元素：鐵和氟組成。研究人員一直對鋰離子電池中使用FeF3等化合物感興趣，因?yàn)樗鼈兙哂斜葌鹘y(tǒng)陰極材料更高的容量。
“通常用于鋰離子電池的材料是基于插層化學(xué)的，”布魯克海文的化學(xué)家，該論文的主要作者之一Enne Hu說。“這種類型的化學(xué)反應(yīng)非常有效，但是它只轉(zhuǎn)移一個(gè)電子，所以陰極的容量是有限的。一些化合物如FeF3能夠通過一種更復(fù)雜的反應(yīng)機(jī)制，（即轉(zhuǎn)化反應(yīng)）轉(zhuǎn)移多個(gè)電子�！�
圖中所示為布魯克海文實(shí)驗(yàn)室功能納米材料中心的科學(xué)家。圖為從左至右依次為：（上排）Jianming Bai, Seongmin Bak, 和Sooyeon Hwang；(下排) Dong Su 和 Enyuan Hu.
盡管FeF3具有提高陰極容量的潛力，但由于其轉(zhuǎn)化反應(yīng)的三大復(fù)雜因素，化合物在鋰離子電池中一直沒有很好地發(fā)揮作用：能量效率差（滯后），反應(yīng)速度慢，而且副反應(yīng)可能會(huì)導(dǎo)致電池循環(huán)壽命差。為了克服這些挑戰(zhàn)，科學(xué)家通過化學(xué)取代的方法將鈷和氧原子添加到FeF3納米棒中。這使得科學(xué)家們可以操縱反應(yīng)路徑并使其更“可逆”。
“當(dāng)鋰離子嵌入到FeF3中時(shí)，該材料被轉(zhuǎn)化成鐵和氟化鋰，”這篇論文的合著者、布魯克海文功能納米材料中心（CNF）的科學(xué)家 Sooyeon Hwang Sooyeon說�！叭欢�，這種反應(yīng)并不是完全可逆的，用鈷和氧代替后，陰極材料的主要骨架保持得更好，反應(yīng)變得更加可逆�！�
為了研究反應(yīng)路徑，科學(xué)家們在CFN和國家同步輻射光源II（NSLS-II）——兩個(gè)美國能源部布魯克海文科學(xué)用戶設(shè)施辦公室進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)。
首先在CFN，研究人員使用強(qiáng)大的電子束以0.1nm的分辨率觀察FeF3納米棒（即TEM透射電子顯微鏡技術(shù)）。TEM實(shí)驗(yàn)使研究人員能夠確定陰極結(jié)構(gòu)中納米顆粒的確切尺寸，并分析在充放電過程中不同相之間納米粒子的結(jié)構(gòu)變化。他們看到了用鈷和氧取代的納米棒的反應(yīng)速度更快。
“透射電鏡是一種非常有用的工具，可以在非常小的尺度上表征材料，并且它還能夠?qū)崟r(shí)研究反應(yīng)過程，”CFN的科學(xué)家，該研究的共同通訊作者Dong Su說�！暗�，我們只能通過透射電子顯微鏡看到非常有限的樣品區(qū)域，我們需要依靠NSLS-II的同步加速技術(shù)來了解整個(gè)電池的功能�！�
圖片顯示：馬里蘭大學(xué)科研團(tuán) 隊(duì)隊(duì)員。從左至右依次為：Xiulin Fan, Xiao Ji, Fudong Han, 和 Zhaohui Ma.
在NSLS-II的X射線粉末衍射（XPD）光束線中，科學(xué)家們用超高亮度的X射線穿過陰極材料。通過分析光線散射的方式，科學(xué)家們可以“看到”關(guān)于材料結(jié)構(gòu)的附加信息。
“在XPD中，我們進(jìn)行了配對分布函數(shù)（PDF）測量，它們能夠檢測大量的局部鐵排序，”該論文的合著者和NSLS-II的科學(xué)家Jianming Bai說�！皩Ψ烹婈帢O的PDF分析清楚地表明化學(xué)取代促進(jìn)了電化學(xué)可逆性。”
在CFN和NSLS-II上結(jié)合高度成像和顯微技術(shù)是評估陰極材料功能的關(guān)鍵步驟。
“我們還采用了基于密度泛函理論的先進(jìn)計(jì)算方法來解釋原子尺度下的反應(yīng)機(jī)理，”UMD的科學(xué)家，本文的共同作者Xiao Ji說�！斑@種方法表明，化學(xué)替代通過減少鐵的粒徑和穩(wěn)定巖鹽相，將反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)楦叨瓤赡娴臓顟B(tài)�！盪MD的科學(xué)家表示，這一研究策略可以應(yīng)用于其他高能量轉(zhuǎn)換材料中，未來的研究可能會(huì)使用這一方法來改進(jìn)其他電池系統(tǒng)。
文章來自techxplore網(wǎng)站，原文題目為 Tripling the energy storage of lithium-ion batteries，由材料科技在線匯總整理。
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/墨玉）
