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研究发现富锂NMC材料电压滞后原因 对未来开发电池正极产生巨大影响
发布时间:2020-09-25 来源:盖世汽车     分享到:

据外媒报道,牛津大学、亨利·罗伊斯和法拉第学院(Henry Royce and Faraday Institutions)以及英国的国家同步加速器钻石光源(Diamond Light Source)的研究人员利用“钻石光源”的共振非弹性X射线散射(RIXS),识别重要电池材料富锂NMC中氧化氧(oxidized oxygen)的性质。与当前最先进的材料相比,这种材料可以提供更高的能量密度,延长电动汽续航里程,因此,被广泛认为可以应用于下一代锂离子电池。研究人员希望,科学家们可以利用他们的研究结果,解决与富锂材料有关的电池寿命和电压衰减等问题。

钻石光源I21 RIXS(软X线 RIXS光束线)首席光束科学家Kejin Zhou表示:“我们的工作主要是了解神秘的首次循环电压滞后现象,在该过程中氧化还原过程无法完全恢复,导致电压损失,能量密度降低。”

此前,该研究小组项曾研究过这一过程。据报道,在钠离子电池正极中,电压滞后现象的发生,是由于充电过程中过渡金属离子迁移,使所形成的氧气分子被困在粒子里。Zhou表示:“目前,我们的研究集中在富锂材料Li1.2Ni0.13Co0.13Mn0.54O2上。跟以前一样,关键发现显示,材料内部会形成游离的氧气分子,这在之前没有得到重视。这一发现非常重要,因为该材料具有较高的TM-O共价,曾被认为可以抑制氧气分子的形成。我相信,对于未来的电池正极设计,我们的工作将产生重大影响,使不稳定的蜂窝结构最小化。谈到解决富锂NMC材料存在的其它问题,比如电压衰减,此次研究也具有重要意义,这些问题会阻碍其商业化,影响发现可以更加可逆化利用O-氧化还原过程的新材料。

能够提高锂离子电池能量密度的材料为数不多,富锂正极材料是其中之一。在这些结构中,几乎所有的锂都可以被移除,首先通过过渡金属(TM)离子氧化来补偿,然后是氧离子。然而,充电时O-氧化还原过程涉及到的高电压,在放电时不能恢复,导致产生所谓的电压滞后,能量密度显著降低。这是阻碍开发材料全部潜能的关键挑战之一,并且对该现象的理解仍然不完整。

主要研究人员、牛津大学材料系的Rob House博士表示:“在我们的研究中,我们使用了钻石光源I21光束线的HR RIXS(高分辨率共振非弹性X射线散射光谱仪)研究O-氧化还原过程。这是材料存储氧离子电荷的方式,而氧离子是其结构的一部分。然而,研究人员很难完全理解这一过程。这种材料在首次充电时会发生复杂的结构变化,从而导致严重的电压滞后,而氧离子存储能量的机制尚不清楚。”

“通过获得的数据,我们能够识别之前被RIXS技术探测到但无法完全辨别的神秘光谱特征。我们能够分解由氧气分子振动产生的精细结构,所以能识别在这一重要类别的电池材料中获得的RIXS特征。这些氧气分子被困在正极材料主体中,在放电过程中,可以以较低的电压(低于初始充电电压)重新转化为氧离子。这为解释O-氧化还原过程提供一种新机制,也代表了开发电池材料的重要一步。”


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