化学家提供了锂离子电池能效的问题

由两名Skoltech科学家组成的国际研究小组通过实验证明,长期以来对锂离子电池低能效的解释是不成立的。研究人员解释了这一现象,解释的是氧和阴极中的过渡金属原子之间的缓慢电子转移,而不是原子本身的迁移。这项研究发表在周四的《自然化学》杂志上。

透射电子显微镜照片显示在电池充电 - 放电循环中三个不同阶段的阴极原子结构。白色三角形表示离子不合适的,或缺陷。由于左侧的照片显示了其原始状态的阴极,因此没有缺陷。其他两个照片之间的离子迁移显然是为了解释其观察到的电压滞后而不充分。信誉:Biao Li等化学性质

如今,用于电动汽车和其他电子产品的锂离子电池的容量只有富锂氧化物阴极电池的一半左右。后一种技术的问题在于它的效率很低:你必须花费比最终提供的更多的能量来给电池充电。随着时间的推移,特别是对于消耗大量能源的应用,这种损失的能量真的华体会双赢棋牌会增加,使这种类型的电池目前在商业上不可行。

为了解锁富含锂氧化物阴极的电池的潜力,研究人员必须了解其效率低下的机制,并确切地丢失了失去的能量。最近的自然化学研究提供了实验证据,反驳了先前持有的现象 - 技术称为电压滞后的解释 - 并为其考虑了新的理论。

当锂离子电池被带电时,锂离子在其两个电极之间行进。迁移到阳极,他们在阴极中留下空位。当能量消耗时,这个周期的其他一半涉及锂离子,例如为手机供电。

“然而,与此同时,组成阴极的一些过渡金属原子可能暂时侵入了空位,然后又缩回来,在这种跳跃上花费了宝贵的能量。旧的电压迟滞理论是这样的,该研究的合著者、斯科尔泰克大学博士生阿纳托利·莫洛佐夫说。

To test this explanation, the researchers used a transmission electron microscope at Skoltech’s Advanced Imaging Core Facility to monitor the atomic structure of a lithium-enriched battery cathode made of a material with the formula Li1.17Ti0.33Fe0.5O2 at different stages in the battery’s charge-discharge cycle (see the image below). However, no significant migration of iron or titanium atoms to lithium vacancies was observed, suggesting that some other process was siphoning power.

“我们的调查结果启发了团队寻求其他地方的电压滞后的起源。导致这种现象不可逆转阳离子迁移,而是在氧气和过渡金属原子之间的可逆转移。当电池被充电时,铁的一些电子被氧原子劫持。后来,他们回去了。这种可逆转移消耗了一些能量,Skoltech能源科学与技术中心负责人阿特姆·阿巴库莫夫教授解释道。

“从电子转移的角度理解电压滞后现象,可能会对缓解这种不受欢迎的影响产生直接影响,从而使下一代锂离子电池具备创纪录的能量密度,为电动汽车和便携式电子设备提供动力。”他继续说。“为了使下一步,化学家可以通过改变阳离子 - 阴离子键合的共价来操纵电子转移屏障,由周期性表和”化学柔软度“的概念为指导。

“这证明了先进的透射电子显微镜用于解密极其复杂性的局部结构的功率。Skoltech的年轻研究人员真的很棒,直接方便地进入这种复杂的设备作为畸变的电子显微镜,以及进一步培训的机会。华体会赞助里尔这使我们能够与来自学术界和行业的国际同行合作,为顶级电池研究有助于高级电池研究,“莫罗佐夫补充道。

除了这两名Skoltech的化学家,本文报道的研究还包括来自Collège de France、蒙伯利埃大学、索邦大学、Technische Universität München、保罗谢勒研究所、波和佩尔阿杜大学以及Réseau sur le Stockage Electrochimique de l’energie的研究人员。

来源:https://www.skoltech.ru/

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