钜大LARGE | 点击量：715次 | 2021年12月21日
跟踪电池充电路线上的堆积可提高性能,突破动力学障碍
由于其高存储容量，金属氧化物是用于下一代锂离子电池的一类很有前途的潜在转换型电极材料。转化型电极材料发生转化反应；当它们与锂离子反应时，它们会转化为全新的产品。现在的商用电池基于一种完全不同的机制，称为插层。
美国能源部(DOE)功能纳米材料中心(CFN)电子显微镜组的资深科学家SooyeonHwang解释说，在嵌入过程中，锂可以可逆地插入电极材料和从电极材料中提取，而不会破坏其晶体结构。虽然这些材料高度稳定，但只有有限数量的锂离子可以参与。因此，它们的容量相对低于转换型材料。
更多的锂离子可以参与金属氧化物电极材料的转化反应，从而实现更高的电池容量，电化学和X射线吸收光谱学专家JiHoonLee补充道，他曾在布鲁克海文实验室化学部进行研究在哥伦比亚大学做博士后期间，现在是韩国庆北国立大学的助理教授。然而，这些材料的晶体结构从其原始状态完全改变，导致不稳定，例如在多次充放电循环中容量衰减。
来自CFN和合作机构的Hwang及其同事多年来一直在研究转换型电极材料。此前，他们在高电流下研究了氧化铁电极，发现长期循环过程中的“动力学障碍”会导致容量衰减。在高电流下，电池的充电和放电速度相对较快，就像真正的电池一样。
如果这种循环发生得太快，就会在电极材料上产生锂梯度，黄解释道，例如，一个位置可能比另一个位置插入或提取的锂更多。
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
现在，该团队由Hwang和Lee共同领导，包括来自CFN、化学部和布鲁克海文实验室国家同步加速器光源II(NSLS-II)的科学家，通过在更温和的条件下操作电池来消除这些动力学障碍。充放电后电流小，电压恒定。尽管这些实验条件与现实条件之间存在差距，但了解电极材料在基本层面上的行为方式可以为性能更好的电池的新设计提供信息。
在这种情况下，他们在锂离子半电池中测试了两种无毒且广泛使用的金属氧化物——氧化镍或氧化铁中的一种。
我们在这项初步研究中的目标是进行简单的电化学测试，以了解锂嵌入和脱嵌的基本机制，黄说，未来的研究将需要涉及两个电极的全电池。
电化学测试揭示了10次循环后电池电压曲线和容量的显着差异。为了表征循环电极材料的变化，该团队在三个NSLS-II光束线——快速X射线吸收和散射(QAS)、对分布函数(PDF)和X射线粉末衍射(XPD)——以及在CFN。QAS光束线提供了每种金属在不同充电和放电状态下的化学信息，包括氧化态。PDF和XPD光束线非常适合确定晶体结构，PDF对原子键的局部配置方式特别敏感。
从这些X射线同步加速器研究中，该团队观察到氧化镍中的镍和氧化铁中的铁的还原和氧化（氧化还原）反应不是很可逆。然而，他们不知道不完全再转化反应和容量衰减的原因。他们在CFN电子显微镜设备中使用透射电子显微镜(TEM)，获得了高分辨率图像。这些图像显示充电后出现锂金属氧化物的中间相。相比之下，在放电过程中，金属氧化物直接转化为氧化锂和纯金属。
中间相的存在意味着锂在充电过程中没有被完全提取，黄解释说，这个阶段会随着时间的推移持续存在并积累。因此，用于后续循环的可用锂离子数量减少，导致容量在一个循环后不断下降。以前，我们证明了动力学障碍是容量衰减的原因，但在这里我们证明内在限制也会导致容量下降。
鉴于这些结果，该团队认为充电和放电是通过不同的（“不对称”）反应途径发生的。在充电过程中提取锂离子需要能量，因此该反应遵循基于能量转移或热力学的途径。另一方面，放电过程中锂离子的插入是自发发生的，这种快速的锂扩散遵循动力学驱动的替代途径。
接下来，该团队计划表征其他转换型电极材料，如金属硫化物，并在电池循环过程中进行研究；这种原位表征是CFN擅长的领域之一。
