进一步了解富锂电池阴极中氧

2021-03-02 10:22:08

法拉第研究所CATMAT项目的一部分,来自牛津大学的科学家研究下一代阴极材料,在理解富锂阴极材料所涉及的氧-氧化还原过程方面取得了重大进展。该论文发表在《自然能源》上,提出了一些策略,这些策略提供了增加锂离子电池能量密度的潜在途径。

“在不断提高锂离子电池能量密度的更艰巨的探索中,能够利用氧-氧化还原阴极的潜力,以及它们相对于当今商业使用的富镍阴极所提供的更大的改进,具有潜在的重大意义,牛津大学彼得·布鲁斯教授和法拉第研究所首席科学家。“对氧-氧化还原的基本机理的更深入了解是为减轻此类材料目前的局限性而制定战略的重要一步,使它们潜在的商业用途更接近现实。”

法拉第学会(Faraday Institution)首席执行官帕姆·托马斯(Pam Thomas)表示:“在英国电气化竞赛中寻找开拓性解决方案需要针对行业相关目标的大规模,集中研究工作。” 这是法拉第机构研究人员取得重大科学里程碑的一个例子,可以为探索电池材料开辟并加速多种新的研究途径,并可能扩大未来的电动汽车的范围。该突破是通过使用Diamond Light Source和Royce Institute提供的最先进的设备而实现的,这表明了保持英国研究基础设施实力的重要性。”

电动汽车范围的扩大要求电池材料能够在更高的电压下存储更多的电荷,以实现更高的“能量密度”。有几种增加锂离子阴极材料能量密度的方法。大多数当前的阴极材料是包含例如钴,镍和锰的层状过渡金属氧化物。一种研究途径涉及将电荷存储在氧化物离子以及过渡金属离子上。

多年来,使用这种氧-氧化还原材料来提高阴极能量密度一直是有前途的,但是由于它们在首次充电时会经历的结构变化(主要是不可逆的)会阻碍其实现其在商用电池中的全部潜能。导致随后的放电和以后的循环中可用电压的显着下降。

全世界已经进行了一段时间的重大研究工作,以发现解释这些结构变化的氧还原氧化机理,但是对氧化氧的性质的清晰了解仍然是难题的关键部分。

过去已成功使用诸如RIXS(共振非弹性X射线散射)之类的技术来探测氧气的变化。但是,通过与最先进的研究人员,钻石光源的I21光束线合作,法拉第研究所的研究人员成功地解决了这些RIXS功能,表明这些材料大部分中的氧化氧是分子氧,而不是过氧化物或其他物种。

“此外,计算模型已经证明,分子氧的逸出解释了观察到的电化学响应(首次放电时电压的降低)和观察到的结构变化(通过在材料的大部分中容纳分子氧来解释),”巴斯大学和CATMAT首席研究员Saiful Islam教授说。“将分子氧和电压损失联系在一起的单一统一模型使研究人员能够提出避免氧-氧化还原引起的不稳定性的实用策略,并提供朝着更可逆的高能量密度锂离子阴极发展的潜在途径。”

本文提出了六种这样的策略,它们具有不同的新颖性,所有这些策略都是有希望的,并且正在由CATMAT项目进行探索。对机械原理的理解将加快这些领域的研究速度,为迭代,反复试验和错误方法提供替代方案。在一个新颖的研究方向上,研究人员正在研究一种独特的“上层结构”的开发,该结构可控制过渡金属层中锂原子的有序化,从而使结构具有更高的稳定性并减少了电压损失。

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