研究人员将富锂材料作为下一代电池的关键

美国能源部阿贡国家实验室的研究人员称,研究人员正在开发新的方法来开发富含锂的电池,并将新材料用于实际用途。

“富含锂的氧化物提供了比许多当前技术更可持续和更具成本效益的选择的可能性,因为它们主要由富含地球的元素制成,锰是最有前途的候选人,” 阿贡国家实验室化学科学与工程(CSE)部门物理学家Jason R. Croy说。

锂离子电池在充电和放电时依靠锂在电极(阴极和阳极)之间的移动。移动更多的锂(最初包含在阴极中并由阴极提供),将产生更多的可用于电话、计算机和汽车等设备的电流。一类很有前景的阴极材料,称为富锂氧化物,包括比当前使用的氧化物含有更多锂的材料。此外,它们还由大量富含地球的元素(例如锰)组成。

“富含锂的氧化物提供了比许多当前技术更可持续和更具成本效益的选择的可能性,因为它们主要由富含地球的元素制成,锰是最有前途的候选者。” —阿贡省化学科学与工程系物理学家Jason R. Croy说。

电池运行时,元素在锂、锰、钛、氧和氟等氧化物中以原子级排列的复杂方式导致了独特的过程。最值得注意的是氧气参与了帮助产生电流的过程,这在传统的锂离子电池中是不会发生的,但这是富含锂的氧化物可以利用大量锂的主要原因之一。这些阴极的一个缺点是能量效率低下,或者“滞后”。具体地说,这意味着为电池充电所需的能量大于放电时获得的能量。

到目前为止,研究界普遍认为氧气的缺乏是造成这种效率低下的原因,而改善这些材料的努力主要集中在氧气上。尽管这些努力导致了更好的材料设计的进步,但在所有此类氧化物中都存在磁滞现象。

为了增进对磁滞现象的理解并获得对起重要作用的其他机制的了解,研究人员设计了一种基于富锂氧化物模型的实验。该材料是模型,因为它包含大量的锂,并且在充电和放电之间显示出磁滞现象;然而,氧气不参与电池的充电/放电过程。通过对该系统的设计以及工作单元的理论计算和测量,研究小组表明,元素(在这种情况下为钛和铬)在氧化物内某些位置之间的运动是这种材料滞后的唯一原因,而不是直接涉及氧气的过程。这很重要,因为所有富锂材料都形成相似的原子级构型,研究人员希望这些发现将引起人们对这些类型机制的关注,并为将这些材料推向实际应用产生新的见解、想法和设计。

这些研究人员是美国能源部财团的一部分,该财团由五个致力于下一代阴极氧化物开发的国家实验室组成,这是美国能源部能源效率和可再生能源汽车技术办公室(VTO)管理的应用电池研究与开发计划的重要组成部分。能源部和VTO致力于开发无钴和其他可持续能源存储材料。富锂氧化物为获得高能、高性价比、无钴的氧化物提供了途径。

CSE的物理学家哈基姆·伊迪迪尔(Hakim Iddir)说:“从事该项目使我们能够设计一个模型实验,以解决模型系统中氧还原的特定基本问题。”

CSE的助理材料科学家Iddir和Juan C. Garcia进行了计算分析,以验证设计目标并深入了解电化学反应过程中发生的机理。Croy合成了设计的阴极材料,进行了电化学分析,并参与了同步加速器X射线研究。获取更多前沿科技信息访问:https://byteclicks.com

细胞分析、建模和原型(CAMP)设施的工程专家Steve Trask与该团队合作设计和建造了可以在工作细胞中被X射线探测的细胞。

这项研究还使用了阿贡大学实验室计算资源中心(LCRC)的计算机设施。

该项目由VTO资助,具体操作由美国能源部科学办公室和加拿大光源支持。

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