高容量鋰離子電池陰極能量損耗原因揭密

作者 : Skolkovo Institute of Science and Technology

Skoltech的跨國研究團隊發現了高容量鋰離子電池在充放電週期中陰極能量損耗的原因...

由俄羅斯莫斯科Skolkovo科技大學(Skolkovo Institute of Science and Technology;Skoltech)來自法國、美國和瑞士的研究人員組成的跨國團隊,發現了高容量鋰離子電池在充放電週期中陰極能量損耗的原因。該研究成果發表在《自然材料》(Nature Materials)雜誌上。

快速發展的電動車(EV)產業需要能量密度更高的鋰離子電池,以提供一次充電可行駛更遠的電動車。下一代牽引電池可以在先進正極材料的基礎上製造,例如過渡金屬的富鋰複合氧化物,由於過渡金屬(鎳和鈷)的陽離子和氧陰離子參與氧化還原反應。然而,電壓遲滯(充電和放電電壓的差異)會導致電池運行期間的能量損耗並限制實際應用。

Skoltech能源科學與技術中心(CEST)主任Artem Abakumov解釋,「在鋰離子電池充電期間,帶正電的鋰陽離子離開其於正極材料結構的位置,然後在電池放電時重新沈入。為了讓正極材料保持電中性,它應該釋放或吸收相同數量的電子。我們的研究表明,動力學障礙和能量壘在很大程度上是由電子轉移引起的,而不僅僅是鋰離子的遷移。金屬陽離子和氧原子之間的電子轉移可能特別緩慢,導致能量損耗。」

Skoltech博士研究生Anatolii Morozov說:「為了擷取那些長壽命的電子狀態,我們首先排除了其他可能的遲滯原因,例如過渡金屬陽離子遷移引起的陰極晶體結構變化。歸功於高分解析透射電子顯微鏡,即先進成像核心設施(Advanced Imaging Core Facility)中的 Titan Themis Z顯微鏡——我們提供了確鑿的證據表明不會發生這種不可逆過程。Titan Themis Z擁有高達0.06nm的空間解析度,這意味著我們可以獲得原子級解析度的晶體影像結構。」

研究科學家Olga Emelyanova解釋:「我們的顯微鏡本身就是一個材料科學實驗室,可以使用各種高局部性方法分析材料。在我們的研究中,不僅使用了結構影像,還對鎳的電子狀態進行了光譜分析。」

先進成像核心設施負責人Yaroslava Shakhova補充,「我們的研究揭示了現代透射電子顯微鏡為研究具有高實用價值的材料提供的獨特機會。瞭解局部的晶體和電子結構,對於鎖定某種具有獨特功能的材料開發至關重要。執行此類研究的能力是Skoltech的重要競爭優勢。」

本文原刊登於EDN China網站,夏菲編譯

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