隨著對(duì)智能手機(jī)，電動(dòng)汽車和可再生能源的需求持續(xù)增長(zhǎng)，科學(xué)家們正在尋找改進(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)能的有前途的解決方案。提高鋰離子電池的能量密度可以促進(jìn)具有長(zhǎng)效電池的先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，以及風(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(guó)能源部(DOE)布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的合作開發(fā)并研究了一種能夠使鋰離子能量密度增加三倍的新型陰極材料。電池電極。他們的研究成果于6月13日在NatureCommunications上發(fā)表。

“鋰離子電池由陽極和陰極組成，”UMD科學(xué)家和該論文的主要作者之一的秀林秀說?！芭c鋰離子電池中使用的商用石墨陽極的大容量相比，陰極的容量更加有限。陰極材料始終是進(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，這是一種改良的工程形式的三氟化鐵(FeF3)，由經(jīng)濟(jì)有效和環(huán)境友好的元素-鐵和氟組成。研究人員一直對(duì)在鋰離子電池中使用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都是基于插層化學(xué)，”布魯克海文的化學(xué)家和該論文的主要作者之一EnyuanHu說?！斑@種類型的化學(xué)反應(yīng)是非常有效的;但是，它只轉(zhuǎn)移一個(gè)電子，因此陰極容量是有限的。一些化合物如FeF3能夠通過更復(fù)雜的反應(yīng)機(jī)制轉(zhuǎn)移多個(gè)電子，稱為轉(zhuǎn)化反應(yīng)?！?br/>
盡管FeF3具有增加陰極容量的潛力，但該化合物在鋰離子電池中的表現(xiàn)并不理想，因?yàn)槠滢D(zhuǎn)化反應(yīng)存在三個(gè)并發(fā)癥：能效差(滯后)，反應(yīng)速度慢，副反應(yīng)可能導(dǎo)致循環(huán)壽命不佳。為了克服這些挑戰(zhàn)，科學(xué)家們通過一種稱為化學(xué)替代的過程將鈷和氧原子添加到FeF3納米棒中。這使科學(xué)家能夠操縱反應(yīng)途徑并使其更具“可逆性”。

“當(dāng)鋰離子被插入到FeF3中時(shí)，這種物質(zhì)會(huì)轉(zhuǎn)化為鐵和氟化鋰，”該論文的合著者和布魯克海文功能納米材料中心(CFN)的科學(xué)家SooyeonHwang說?！叭欢?，反應(yīng)不是完全可逆的。用鈷和氧取代后，陰極材料的主要骨架更好地保持，反應(yīng)變得更加可逆?！?br/>
為了研究反應(yīng)途徑，科學(xué)家們?cè)贑FN和國(guó)家同步加速器光源II(NSLS-II)-布魯克海文的兩個(gè)DOE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0.1納米的分辨率觀察FeF3納米棒-一種稱為透射電子顯微鏡(TEM)的技術(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，并分析結(jié)構(gòu)在充電-放電過程的不同階段之間如何變化。他們看到取代納米棒的反應(yīng)速度更快。

“TEM是一種用于表征非常小尺度材料的強(qiáng)大工具，它還能夠?qū)崟r(shí)研究反應(yīng)過程，”CFN的科學(xué)家和該研究的共同作者DongSu說?！叭欢?，我們只能使用TEM看到非常有限的樣品區(qū)域。我們需要依靠NSLS-II的同步加速器技術(shù)來了解整個(gè)電池的功能?！?br/>
在NSLS-II的X射線粉末衍射(XPD)光束線上，科學(xué)家們通過陰極材料引導(dǎo)了超亮X射線。通過分析光散射的方式，科學(xué)家們可以“看到”有關(guān)材料結(jié)構(gòu)的其他信息。

“在XPD，我們進(jìn)行了配對(duì)分布功能(PDF)測(cè)量，能夠檢測(cè)大量的當(dāng)?shù)罔F排序，”該論文的合著者和NSLS-II的科學(xué)家白建明說?！皩?duì)放電陰極的PDF分析清楚地表明，化學(xué)替代促進(jìn)了電化學(xué)的可逆性?！?br/>
在CFN和NSLS-II上結(jié)合高度先進(jìn)的成像和顯微技術(shù)是評(píng)估陰極材料功能的關(guān)鍵步驟。

“我們還進(jìn)行了基于密度泛函理論的先進(jìn)計(jì)算方法，以破解原子尺度的反應(yīng)機(jī)制，”UMD的科學(xué)家，該論文的共同作者肖驥說。“這種方法表明化學(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)。”UMD的科學(xué)家表示，這種研究策略可以應(yīng)用于其他高能轉(zhuǎn)換材料，未來的研究可能使用該方法來改進(jìn)其他電池系統(tǒng)。